COSINUS: Test des DAMA-Experiments

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. Beispiele dafür sind CRESST, Edelweiss, SuperCDMS, LUX, PandaX, DarkSide und XENON-nT.  

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 auftretende Schwankung bei den beobachteten Signalen – mit einem Höhepunkt im Juni. Der Grund: Das Sonnensystem kreist um den Mittelpunkt der Milchstraße, die Erde um die Sonne. Je nach Position addieren sich die beiden relativen Geschwindigkeiten. Daher erleben unser Planet und damit auch die Detektoren mal einen stärkeren, mal einen schwächeren Teilchenwind.

Allerdings stehen die DAMA-Ergebnisse bisher für sich allein. Um von einem sicheren Nachweis Dunkler Materie zu sprechen, müssten auch andere Experimente Teilchenspuren entdecken können. Tatsächlich gibt es eine Reihe von Projekten (ANAIS in Spanien, COSINE in Korea und SABRE in Italien) mit denen Wissenschaftler*innen die DAMA-Signale reproduzieren wollen. Bisher konnte aber keines davon die Indizien für Dunkle Materie bestätigen.

Mit COSINUS kommt jetzt ein weiteres Prüfinstrument hinzu. Die Idee: COSINUS nutzt das gleiche Detektormaterial wie DAMA, Natriumiodid. Dieses wird mit einem zweiten Nachweiskanal – einem speziellen Thermometer – kombiniert. Durch die Kollision eines Dunkle-Materie-Teilchen mit dem Kristall wird Energie deponiert, die sich mit einem kurzen Lichtblitz und einer winzigen Temperaturerhöhung bemerkbar macht.

In den nächsten Jahren wird COSINUS im Untergrundlabor des Gran Sasso (LNGS Laboratori Nazionali del Gran Sasso) in Italien aufgebaut. Das Labor befindet sich im Inneren eines Bergmassivs, einem natürlichen Bollwerk gegen die störende Strahlung aus dem Weltraum. Das Experiment selbst besteht aus 25 Detektoren, die von einem sieben Meter hohen Wassertank umgeben und so vor natürlicher Radioaktivität geschützt sind. Im Reinraum über diesem Aufbau werden die Detektoren vorbereitet und ins Experiment eingebaut. Erste Messungen sollen im Jahr 2022 starten.

Das Projekt leitet ein Team am Max-Planck-Institut für Physik, am HEPHY und an der TU Wien und am INFN und GSSI (Italien). Weitere Akteure sind SICCAS (China) und das Helsinki Institute for Physics (Finnland).