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StartseiteForschung aktuellEin Xenon-Isotop entpuppt sich als extrem langlebig28.08.2019

Radioaktiver MethusalemEin Xenon-Isotop entpuppt sich als extrem langlebig

In einem Untergrundlabor im italienischen Gran-Sasso-Massiv versuchen Physiker mit einem großen Detektor Partikel der rätselhaften "dunklen Materie" aufspüren. Bislang blieb ihre Suche erfolglos. Doch kürzlich meldeten sie einen Rekord: Das radioaktive Element mit der längsten je gemessenen Halbwertszeit.

Von Frank Grotelüschen

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(Roberto Corrieri und Patrick De Perlo, XENON-Kollaboration)
Das XENON1T-Experiment im Gran-Sasso-Untergrundlabor: Links der XENON-Behälter mit Wassertank zur Abschirmung, rechts das Technikgebäude. (Roberto Corrieri und Patrick De Perlo, XENON-Kollaboration)
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Das Gran-Sasso-Labor in Italien liegt 1400 Meter tief in einem Berg in den Abruzzen. Mit dem Wagen fährt man in einen langen Autobahntunnel hinein und biegt mittendrin in einen Seitentunnel ab – der Eingang zum Labor. Es besteht aus drei Hallen, durch das Felsgestein sind sie gegenüber der Außenwelt weitgehend abgeschirmt. Hier finden sich gleich mehrere Physikexperimente. Eines davon heißt Xenon, so wie das Edelgas. Der Name ist Programm.

"Das Experiment ist so aufgebaut, dass wir Xenon verflüssigen bei etwa minus 100 Grad Celsius. Das wird dann eine klare Flüssigkeit wie Wasser, aber dreimal schwerer als Wasser. Und diese kalte Flüssigkeit verwenden wir in einem Detektor, den wir mit ganz empfindlichen Fotosensoren anschauen, mit denen wir ganz kleine Lichtmengen nachweisen können."

Der Mainzer Physikprofessor Uwe Oberlack ist einer von 160 Forschern, die bei Xenon mitmachen.

Die Jagd nach Partikeln von "dunkler Materie"

Eigentlich sucht das Experiment nach neuen, bislang hypothetischen Elementarteilchen – den Trägern der sogenannten dunklen Materie, die die Galaxien zusammenhält wie ein ominöser Klebstoff.

"Diese hypothetischen Teilchen würden Wechselwirkungen machen, das heißt Stöße in unserem Detektor, so ähnlich wie in einem Billard-Spiel. Und wir suchen nach der Rückstoß-Energie, nach kleinen Signalen. Das wären Lichtblitze in unserem Detektor."

Von diesen Dunkle-Materie-Teilchen müsste es im Weltall eigentlich nur so wimmeln. Allerdings dürften die geisterhaften Gesellen nur extrem schwach mit gewöhnlicher Materie interagieren. Das bedeutet: Um überhaupt eine Chance zu haben, sie dingfest zu machen, muss man ihnen Einiges in den Weg stellen.

Ein Tank mit Xenon soll dunkle Materie dingest machen 

"Insgesamt sind in diesem Xenon-Detektor drei Tonnen Xenon, im Inneren an sensitivem Volumen sind das zwei Tonnen. Da wird es unheimlich still und leise da drin. Und das gibt uns diese Umgebung, in der wir nach diesen ganz seltenen Ereignissen suchen können."

Bislang blieb die Suche nach der dunklen Materie erfolglos. Dafür aber gelang den Fachleuten unter der Federführung der Uni Münster ein anderer Coup: Sie nutzten den tonnenschweren Edelgas-Tank als eine Art überdimensionalen Geigerzähler für einen speziellen Kernzerfall, und zwar von Xenon-124.

"Ein Isotop, was nur in kleinen Mengen vorhanden ist, etwa von einem Promille. Das ist aber mit etwa eineinhalb Kilogramm im Inneren unseres Detektors vorhanden, und damit können wir uns das anschauen."

Xenon-124 entpuppt sich als ungewöhnlich langlebig

Konkret passiert folgendes: Ab und zu schnappt sich einer der Xenon-124-Kerne zwei Elektronen gleichzeitig aus seiner Atomhülle – und wandelt sich flugs um in ein anderes Element, in Tellur. Dabei entsteht Röntgenstrahlung, und die können die Forscher mit ihrem Detektor nachweisen. Allerdings brauchten sie dazu viel Geduld, die Messungen liefen länger als ein Jahr.

"Wir haben ungefähr 120 Zerfälle gesehen. Das sind ganz seltene Zerfälle, die da passieren, sodass wir den seltensten Zerfall direkt nachweisen konnten."

Die Halbwertszeit ist eine gigantische Zahl. Mehr als unvorstellbare zehn Trilliarden Jahre würde es dauern, bis die Hälfte der Xenon-124-Kerne im Detektor zerstrahlt wäre. Das ist eine Billion Mal länger als das Alter des Universums. Damit ist Xenon-124 so etwas wie der Methusalem unter den radioaktiven Stoffen.

"Das ist ein neuer Weltrekord", sagt Uwe Oberlack.

Warum bleibt ein Atomkern so lange stabil – um dann doch zu zerfallen? An diesen Grenzen zeigt sich, ob eine Theorie stimmt. Die Entdeckung dieser extremen Halbwertszeit ist also ein spannender Testfall für das Modell der Kernphysik. Nun wollen Oberlack und seine Kollegen den Detektor ausbauen und von drei auf acht Tonnen Xenon aufstocken.

"Wir hoffen, dass wir nächstes Jahr mit einem noch sensitiveren Experiment dann nach dunkler Materie suchen können, aber auch nach anderen Physikeffekten, die ganz seltene Ereignisse erzeugen."

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