Pulsrohrgekühlter 3He/4He-Verdünnungskryostat mit zwei Verdünnungseinheiten

• Fachliche Zuordnung: Teilchen, Kerne und Felder
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 580662618

Das Kirchhoff-Institut für Physik der Universität Heidelberg plant gemeinsam mit Partnerinstituten am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und an der Universität Freiburg das Experiment DELight (Direct search Experiment for Light dark matter) zur direkten Suche nach Dunkler Materie. In den kommenden Jahren soll das DELight Experiment aufgebaut, in Betrieb genommen und für die Suche nach Wechselwirkungen von Dunkler Materie in einem suprafluiden 4-Helium Target eingesetzt werden. Der Nachweis dieser Wechselwirkungen würde einen eindeutigen Beweis für die Teilchennatur der Dunklen Materie liefern und damit eine der zentralen offenen Fragen der modernen Physik beantworten. DELight ist als mehrphasiges Projekt konzipiert, bei dem das Heliumvolumen schrittweise vergrößert und gleichzeitig die Energieauflösung, Nachweisschwelle und Untergrundrate verbessert werden. Dadurch entsteht ein langfristiges wissenschaftliches Programm mit einer Laufzeit von über einem Jahrzehnt. Für DELight ist ein pulsröhrengekühlter 3He/4He-Verdünnungskryostat in einer nicht standardmäßigen Konfiguration mit zwei unabhängigen Verdünnungseinheiten unverzichtbar, wobei jede Einheit eine spezifische Funktion erfüllt. Eine Verdünnungseinheit soll Temperaturen unter 10 mK bereitstellen, um das Helium in den superfluiden Zustand zu überführen, quasiteilchenbedingte Streuungen zu minimieren und den Betrieb hochsensitiver großflächiger Mikrokalorimeter (LAMCALs) für energie- und zeitaufgelöste Messungen zu ermöglichen. Die zweite Verdünnungseinheit wird ein Helium-Filmverbrennungssystem („film burner“) unterstützen – ein unverzichtbarer Bestandteil des DELight-Detektors, der bei Temperaturen oberhalb von 100 mK betrieben wird. Das Design des Filmverbrenners orientiert sich an dem erfolgreichen Konzept, das im Rahmen des HERON Neutrinoprojekts mit superfluidem Helium entwickelt und eingesetzt wurde. Die LAMCALs basieren auf der Technologie von magnetischen Mikrokalorimetern (MMC), die bei tiefen Millikelvin-Temperaturen betrieben werden. Ein Teil der LAMCALs wird oberhalb des Heliumvolumens im Vakuum positioniert, der andere Teil darin eingetaucht. Die erforderliche Größe, die zwei Verdünnungseinheiten, die Kühlleistung und die technischen Spezifikationen des Kryostaten ergeben sich aus dem Heliumvolumen, der Anzahl der LAMCALs und insbesondere aus dem Betrieb des Filmverbrenners, der die Filmbildung auf denjenigen Mikrokalorimetern verhindert, die im Vakuum filmfrei arbeiten müssen. Zugleich gewährleisten die gewählten Spezifikationen, dass der Kryostat auch nach Abschluss der frühen DELight Phasen für Forschung und Entwicklung (F&E) sowie für zukünftige Anwendungen – etwa in der Quanteninformationsverarbeitung – genutzt werden kann, selbst wenn das DELight Experiments die Kapazität des Kryostaten übersteigt oder die F&E-Aktivitäten keinen dauerhaften Zugriff mehr auf das Gerät erfordern.

• DFG-Verfahren: Forschungsgroßgeräte
• Großgeräte: Pulsrohrgekühlter 3He/4He-Verdünnungskryostat mit zwei Verdünnungseinheiten
• Gerätegruppe: 8550 Spezielle Kryostaten (für tiefste Temperaturen)
• Antragstellende Institution: Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg
• Leiterin: Professorin Dr. Belina von Krosigk