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Das CRESST-Experiment – Suche nach Dunkler Materie

Das CRESST-Experiment im Gran Sasso-Untergrundlabor
Das CRESST-Experiment im Gran Sasso-Untergrundlabor (Foto: A. Eckert/MPP)

Kosmologischen Beobachtungen zufolge macht die gewöhnliche Materie, aus der die Atome, alles Leben, Sterne, Planeten und Galaxien bestehen, nur etwa fünf Prozent der gesamten Materie im Universum aus. Einen weitaus größeren Anteil, ungefähr 25 Prozent, stellt die so genannte Dunkle Materie dar. Bisher ist aber nicht klar, woraus diese besteht.

Unsere Galaxie, die Milchstraße, ist von einer großen Ansammlung an Dunkler Materie umgeben. Deren enorme Masse hat die Entwicklung der Galaxie entscheidend geprägt.

Verschiedene gut begründete Theorien besagen, 

  • dass die Dunkle Materie aus Teilchen besteht, die Schwerkraft ausüben und
  • mit der sichtbaren Materie interagiert - wenn auch nur sehr schwach.

Wenn solche Dunkle-Materie-Teilchen existieren, sollte man sie mit geeigneten Messgeräten von der Erde aus beobachten können.

Mit dem CRESST-Experiment suchen Wissenschaftler*innen nach der Dunklen Materie. CRESST steht für "Cryogenic Rare Event Search with Superconducting Thermometers". Hinter dem Experiment steht ein europäischer Forschungsverbund, der vom Max-Planck-Institut für Physik (MPP) geleitet wird.

Mit Kristall-Detektoren auf der Spur zur Dunklen Materie

Aufbau des CRESST-Experiments, mit dem Dunkle-Materie-Teilchen gefunden werden sollen.
Aufbau des CRESST-Experiments, mit dem Dunkle-Materie-Teilchen gefunden werden sollen. (Foto: A. Eckert)

Das CRESST-Experiment ist im Untergrundlabor unter dem Bergmassiv des Gran Sasso (Laboratori Nazionali del Gran Sasso, LNGS) in Italien angesiedelt. Es besteht aus hochsensiblen Detektoren, die reagieren, wenn ein Dunkle-Materie-Teilchen auf einen Atomkern im Detektormaterial trifft.

Da diese Teilchen nur sehr selten mit gewöhnlicher Materie reagieren, erwartet man pro Jahr nur wenige beobachtbare Ereignisse. Um diese zuverlässig zu entdecken, haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler eine spezielle Methode entwickelt.

Die Instrumente bestehen aus ultrareinen, szintillierenden Kalziumwolframat-Kristallen (CaWO4), deren Betriebstemperatur bei fast -273 Grad Celsius liegt, also nahe am absoluten Nullpunkt. Wenn ein Dunkle-Materie-Teilchen auf einen Atomkern stößt, steigt die Temperatur im Kristall um etwa ein Millionstel Grad an.

Hochsensible Sensoren machen den Unterschied

Ein Detektor des CRESST-Experiments: Der Kalziumwolframat-Kristall (heller Quader) sitzt in einem Kupfergehäuse. Auf seiner Oberfläche ist der H-förmige Temperatursensor angebracht. Rechts vom Kristall befindet sich das Saphir-Silizium-Plättchen, das die Lichtteilchen misst.
Ein Detektor des CRESST-Experiments: Der Kalziumwolframat-Kristall (heller Quader) sitzt in einem Kupfergehäuse. Auf seiner Oberfläche ist der H-förmige Temperatursensor angebracht. Rechts vom Kristall befindet sich das Saphir-Silizium-Plättchen, das die Lichtteilchen misst. (Foto: T. Dettlaff/MPP)

Diesen hauchdünnen Unterschied messen hochempfindliche Thermometer im Detektor. Zusätzlich erzeugen die Teilchen-Teilchen-Interaktionen Lichtblitze im Kristall. Die Lichtteilchen – auch Photonen genannt – werden von einem Sensor aus Saphir und Silizium gemessen. 

Das zweite Signal hat die wichtige Aufgabe zu identifizieren, welche Teilchenart die Reaktion ausgelöst hat. Damit lassen sich von Dunkler Materie verursachte Signale zuverlässig vom radioaktiven Untergrund unterscheiden.

Diese Technologie ist die Grundlage für einen der empfindlichsten Teilchendetektoren, die bisher gebaut wurden. Bei der Suche nach der Dunklen Materie können Physiker damit in bisher unerforschte Masse-Regionen vorstoßen. Diese Eigenschaften machen CRESST zum Top-Experiment für die Suche nach besonders leichten Dunkle-Materie-Teilchen.

Mit seiner Expertise in der Detektorentwicklung, Niedrigenergietechnologie und Datenanalyse nimmt das MPP im Forschungsverbund CRESST eine führende Rolle ein.

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