Dunkle Materie kommt im Universum ungefähr fünfmal so häufig vor wie normale, sichtbare Materie. Doch wie lässt sie sich nachweisen? Weltweit haben sich mehr als 20 Experimente auf die Fährte der Dunklen Materie geheftet – bisher ohne konkrete Ergebnisse: Nach eigenen Angaben hat bisher nur der DAMA/LIBRA-Forschungsverbund Signale von Dunkler Materie beobachtet.
Andere Experimente konnten das Ergebnis von DAMA bisher nicht bestätigen. Mit dem COSINUS-Projekt unternehmen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler einen neuen Anlauf, die von DAMA/LIBRA erbrachten Messergebnisse zu überprüfen.
Karoline Schäffner erläutert die Idee hinter dem Versuchsaufbau: „COSINUS nutzt das gleiche Detektor-Material wie DAMA/LIBRA – Natriumiodid – kombiniert es aber mit einem anderen Nachweiseverfahren. Mit diesem neuen Mix aus Material und Methode hoffen wir, die kontroversen DAMA/LIBRA-Signale überprüfen zu können.“
Nach ihrem Studium an der Hochschule für Angewandte Wissenschaften in München promovierte Schäffner am MPI für Physik. Danach forschte sie als Postdoc am INFN-LNGS und am GSSI. Dort erhielt sie eine Forschungsförderung in Höhe 280.000 Euro– Anschubfinanzierung für das COSINUS-Projekt, dessen Entwicklung sie daraufhin leitete. Das Projekt geht voraussichtlich im Jahr 2021 an den Start.
Neues Versuchsdesign: So funktioniert COSINUS
Für die Suche nach den hypothetischen Dunkle Materie Teilchen gibt es unterschiedliche Ansätze und Verfahren. Viele Experimente suchen direkt nach möglichen Spuren, die Teilchen der Dunklen Materie hinterlassen, wenn sie auf Atomkerne der normalen, sichtbaren Materie treffen, wie zum Beispiel CRESST.
Dazu zählt auch das DAMA/LIBRA-Experiment, das Detektoren aus Natriumiodid verwendet. Dank seiner großen Detektormasse (250 Kilogramm) kann es noch ein weiteres Kennzeichen von Dunkle-Materie-Teilchen erkennen. Dabei handelt es sich um eine jahreszeitlich bedingte Schwankung bei den beobachteten Signalen.
„Unsere Erde kreist im Laufe eines Jahres um die Sonne, diese wiederum bewegt sich auf ihrer Bahn um das Zentrum der Milchstraße“, erklärt Schäffner. „Damit kreuzt sie auch den Dunkle-Materie-Halo, der unsere Galaxie wie ein Mückenschwarm umgibt. Abhängig von der Position in der Umlaufbahn wird unsere Erde so mal mehr und mal weniger von Dunklen-Materie-Teilchen getroffen.“ Diese Schwankungen beobachtet DAMA/LIBRA seit über 20 Jahren.
Diese Signale zeichnet das Experiment mithilfe der Natriumiodid-Kristalle auf, einem Material, das bei Teilchen-Wechselwirkungen kurze Lichtblitze produziert. „Diese Eigenschaft macht sich auch COSINUS zunutze“, sagt Schäffner. „Allerdings packen wir noch einen weiteren Nachweiskanal dazu: Neben den Lichtblitzen wollen wir auch die sehr kleinen Temperaturänderungen messen, die beim Zusammenstoß von Dunkle-Materie-Teilchen mit Atomkernen im Material entstehen.“
Dafür verwenden die Forscherinnen und Forscher um Karoline Schäffner eine bewährte Kältetechnologie, die für das CRESST-Experiment in den letzten 20 Jahren am MPP entwickelt wurde.
„Mit meiner Rückkehr ans MPI für Physik schließt sich für mich ein Kreis: In meiner Promotion habe ich mich mit der Entwicklung kryogener Detektoren für das CRESST-Projekt beschäftigt“, so Schäffner. „Das gab letztlich auch den Anstoß für die Anwendung dieser Detektortechnologie mit Natriumiodid-Kristallen, die wir mit COSINUS realisieren werden.“