Dunkle Materie-Gruppe am Institut für Astroteilchenphysik (IAP)
Die Gruppe Dunkle Materie forscht am Karlsruher Institut für Technologie (KIT), um der Natur der "Dunklen Materie" auf die Spur zu kommen, einem der größten Rätsel des Universums. Auch wenn sich Dunkle Materie in vielen astrophysikalischen und kosmologischen Beobachtungen manifestiert, so bleibt ihre teilchenphysikalische Natur bisher verborgen. Da keines der uns bekannten Elementarteilchen aufgrund seiner Eigenschaften für die Dunkle Materie verantwortlich zeichnen kann, ist der Nachweis von Dunkle-Materie-Teilchen auch eng verknüpft mit Teilchenphysik jenseits des uns bekannten "Standardmodells der Teilchenphysik" (SM). Ein mögliches Modell einer solchen Erweiterung des SM ist die Super-Symmetrie, in der das leichteste supersymmetrische Teilchen ein exzellenter Kandidat für Dunkle Materie wäre, nämlich ein schwach wechselwirkendes massives Teilchen (Weakly Interacting Massive Particle, WIMP).
Eine vielversprechende Methode zur Entdeckung von WIMPs ist die Suche nach Stoßprozessen, in denen WIMPs aus dem galaktischen Halo an Atomkernen uns bekannter Materie streuen. Solche Streuprozesse sind extrem selten und hinterlassen nur winzige Signaturen in hochempfindlichen Detektoren. Nach diesen Prozessen wird weltweit mit immer genaueren Messmethoden gesucht.
Wir betreiben intensive Forschungs- und Entwicklungsarbeiten (FuE oder R&D) für die momentane Suche nach Dunkler Materie wie auch für die nächste Generation von Experimenten. Die Arbeitsgruppe Dunkle Materie am IAP des KIT ist Mitglied der XENON-Kollaboration (seit 2019) und beteiligt sich am Betrieb des XENONnT Experiments und der Analyse der mit XENONnT aufgenommenen Daten. Seit 2018 arbeiten wir an der Entwicklung eines Nachfolge-Experiments, zunächst im Rahmen der DARWIN-Kollaboration. Mit der Gründung der XLZD Kollaboration in 2024 gehen diese Studien als R&D Arbeiten für das XLZD Experiment weiter.
Außerdem beteiligen wir uns seit 2022 auch an der Konzeption und Vorstudien für das DELight Experiment.
In der XENON-Kollaboration arbeiten 163 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus 28 Institutionen in elf Ländern zusammen. Aus Deutschland sind fünf Institutionen maßgeblich beteiligt: Das Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg, die Universitäten Freiburg, Mainz und Münster sowie das Karlsruher Institut für Technologie.
Das KIT beteiligt sich am Betrieb des XENONnT Experiments sowie in der Analyse der seit 2021 mit XENONnT aufgenommenen Daten.
Die DARWIN-Kollaboration besteht aus 29 Forschergruppen in 12 Ländern. DARWIN wird mit einem Target aus ca. 50 Tonnen flüssigem Xenon nach Dunkler Materie suchen und dabei den experimentell zugänglichen Parameterraum für WIMPs in einem großen Massenbereich bis hinab zum sogenannten "neutrino floor" abdecken, ab dem Wechselwirkungen von solaren und atmosphärischen Neutrinos einen für die WIMP-Suche irreduziblen Untergrund darstellen werden. Aufgrund seiner erwarteten exzellenten Sensitivität wird DARWIN auch ein Observatorium für andere, extrem seltene Wechselwirkungen mit Neutrinos sein.
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Ziel von DELight ist die Suche nach leichter Dunkler Materie im Massenbereich von ca. 100 MeV/c2 bis 10 GeV/c2.
Die erste Phase des DELight-Experiments besteht aus einem Volumen von 10 Litern suprafluidem Helium, das mit sogenannten „Magnetischen Microkalorimetern” (MMC) instrumentiert ist. Über dem Volumen des suprafluiden Heliums herrscht Vakuum. Quasiteilchen aus Teilchenwechselwirkungen können Heliumatome aus der Heliumoberfläche herauslösen, in einem Prozess, der als Quantenverdampfung bekannt ist. Die Atome werden anschließend von MMC-Kalorimetern erfasst, die über der Flüssigkeitsoberfläche positioniert sind.
An DELight sind Gruppen des KIT (IAP und ETP), der Universität Freiburg und der Universität Heidelberg beteiligt.
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Die EDELWEISS-Kollaboration war eine Zusammenarbeit von 11 Instituten aus 4 Ländern, die im Fréjus Tunnel in einem Untergrundlabor (Laboratoire Souterrain de Modane, LSM) unter 1800m Gestein ein Detektorfeld aus Germanium-Bolometern betrieb, das in der Lage war, die deponierte Energie beim potenziellen Stoß eines WIMPs an einem Germanium-Kern nachzuweisen. In der Forschungsgruppe am IAP wurde das Myon-Vetosystem konstruiert, aufgebaut und kontinuierlich betrieben. Neben der Analyse der Experimentdaten haben wir auch eine neue elektronische Datenauslese in Zusammenarbeit mit dem IPE erstellt. Das EDELWEISS Experiment konzentrierte sich in seiner Ausbaustufe EDELWEISS-III insbesondere auf die Suche nach WIMPs mit kleinen Massen im GeV-Bereich.
Mit Ende von EDELWEISS-III hat das KIT Ende 2019 seine Beteiligung an EDELWEISS beendet.