3. Vorlesung: Dunkle Materie - Experimente · Herbstschule für Hochenergiephysik, Maria Laach, 13.Sept.2010 Béla Majorovits 3 Untergrundquelle Massnahme Gamma-Strahlung aus natürlicher

Herbstschule für Hochenergiephysik, Maria Laach, 13.Sept.2010 Béla Majorovits

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1. Vorlesung: Dunkle Materie - Evidenzen und Detektionsprinzipien

2. Vorlesung: Neutrinos im Standardmodell

3. Vorlesung: Dunkle Materie - Experimente

4. Vorlesung: Suche nach dem neutrinolosen Doppelbetazerfall

Béla Majorovits, MPI für Physik, München


2Béla Majorovits, MPI für Physik, München

3. Experimente zur Suche nach Dunkler Materie

1. Experimentelle Herausforderungen von Ultra-low background Experimenten

2. Experimente zur direkten Detektion: DAMA: Suche nach dem ModulationssignalCRESST: Phononen und SzintillationCDMS: Phononen und IonisationCoGeNT: Ionisation mit sehr niedriger

EnergieschwelleXenon: Ionisation und Licht

3. Experimente zur indirekten Detektion:HEATPamelaIce Cube


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Untergrundquelle MassnahmeGamma-Strahlung ausnatürlicher Radioaktivität ausder Umgebung. Anthropogene

Passive AbschirmungAuswahl des Labors

Radioaktive Verunreinigung des Detektors

Material-selektion and -behandlung

Kosmische Strahlung und Sekundärprodukte

Aufstellung unter-iridisch, Vermeidungschwerer Isotope

Langlebige kosmogene Isotope im Detektor und in derAbschirmung

Unterirdische Pro-duktion und Lagerung

Oberflächenverunreinigung des Detektors und der Abschirmung

Reinraum,Ober-flächenbehandlung

Radonemanation aus Materialienin der Umgebung des Detektors

MaterialselektionRadonreduktion

Experimenteller Ansatz: das Untergrundproblem


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Cosmic ray particle

Stable mother nucleus

Long lived unstable spallationproducts















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• Radioaktivität: β+γ Untergrund resultierend aus Verunreinigungen der Materialien in direkter Umgebung und aus internen Verunreinigungen und Oberfläche des Detektors: ~100 Events/(kg day)

• Neutronen aus Felsen des Untergrundlabors (LNGS) ~ 1 Events/(kg day)

• Myonen-induzierte Ereignisse (Pb/Cu Schild): ~0.01 Events/(kg day)

→Niedrige Energieschwelle→Gute Unterscheidung zwischen

β+γ und KernrückstoβEreignissen

→Abschrimung gegen Neutronen→Myuonen-veto→Radonschild→Stringente Materialselektion

Typische Untergrundkomponenten

Erwartete WIMP Rate:< 0.1 Events/(kg day)

Low-Background Experimente werden (im Normalfall) in tiefen Untergrundlaboratorien aufgebaut (>1000 mwe) Myonische

Komponente um viele Gröβenordnungne unterdrückt.

Für WIMPS: Die meisten Ereignisse knapp überhalb der Energieschwelle,

genau wie β+γ Untergrund.


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Pb Schild gegen externe Gammas

Inneres Gamma Schild aus hoch-reinem Cu oder archäologischem Pb

Detektor (hier HPGe) in low bkg. Vakuumcryostat

Kaltfinger zur Kühlung

LN Dewar für Kältebad

Rn-dichte N2-gespülte Umgebung

Bevorzugte Materialien in direkterDetektorumgebung: E-Kupfer, Teflon. Alle verwendeten Teile in der Nähe dsDetektors müssen auf Reinheitüberprüft sein!

Ultra Low Background Experimente

Neutronenschild: (B-gedopetes) PE

µ-Seto: Szintillatorplatten & PMTs


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Direkte Detektion von Dunkler Materie:Die Aufteilung der Energie in die beobachtbaren Kanäle Phononen,

Ionisation und Szintillation ist abhängig vom Teilchen

Ionisation

Phononen Szin

tilla

tion

{

CoGeNT, Texono

Edelw

eiss,

CDMS

CuorecinoCRESST, Rosebud

DAMA,

UKDM

XENON,

WARP


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Dunkle Materie Experimente - direkte Detektion

Ionisation

Phononen Szin

tilla

tion

{

CoGeNT, Texono

Edelw

eiss,

CDMS


DAMA,

UKDM

XENON,

WARP

DAMA – Nachweis von Szintillationssignal in NaI Detektoren. Suche nach Modulationssignal


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NaI-Kristalle2 PMTs per detector

Gamma- Abschirmung

DAMA/LIBRA – Aufbau des Experiments

Bleischild

Kupferschild

Experimentierraum wird mit sauberemStickstoff geflutet, um Radon zu verdrängen

6 Jahre Messzeit: Sept. 2003 – Sept. 2009

Exposure: 425.42 t×day = 1.17 ton×yr

242.5 kg NaI in Form von Kristallen


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Zeitabhängige Zählrate (Modulation):S = S0 + Sm cos ω(ti-t0)

DAMA/LIBRA – Ergebnisse


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DAMA/LIBRA (6 years)experimentalenergy threshold

Dunkle Materie Experimente - direkte DetektionDAMA/LIBRA – Ergebnisse

Modulationssignalverschwindet für Energien> 6keV und mehrfachkoinzidente Ereignisse bisherkeine konsistente Erklärungfür Modulationssignal

Evidenz für WIMP?


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Dunkle Materie Experimente - direkte DetektionDAMA/LIBRA – Ergebnisse

Das Modulationssignal von DAMA wird seit 1997 kontrovers diskutiert, konntebisher aber nicht schlüssigwiderlegt werden.Lediglich bestimmte WIMP-Modelle konnten als Erklärungausgeschlossen werden.


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Ionisation

Phononen Szin

tilla

tion

{

CoGeNT, Texono

Edelw

eiss,

CDMS

CuorecinoCRESST,Rosebud

DAMA,

UKDM

XENON,

WARP

CRESST – gleichzeitiger Nachweis von Phononen und Szintillation


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300g szintillierender

Kristall

W sensor

Licht Detektor W sensor

SzintillierenderLicht Reflektor

•Identifikation von Kernrückstöβen möglich•Konzept funktioniert für viele verschiedene Targetkristalle

Materialsignatur: Neutronen- und WIMP-Spektren verändern Ihre Form beiWechsel des Targetmaterials unterschiedlich.

β+γ

α

OW

Dunkle Materie Experimente - direkte DetektionCRESST – gleichzeitiger Nachweis von Phononen und Szintillation


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Für kohärente WIMP-Kern Wechselwirkung:

σ0 A2

Ca

W

Dunkle Materie Experimente - direkte DetektionCRESST – Rückstöβe an verschiedenen Kernen des Targetmaterials

Neutronen mit En>12 keV wechselwirken gröβtenteils mit Sauerstoff

Energiespektren von Wechselwirkungen der Neutronenan den verschiendenen Elementen

im Kristall

Schwere WIMPs(MWIMP > 20GeV) wechselwirken mithöchsterWahrscheinlichkeitmit dem W-Kern.


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Dunkle Materie Experimente - direkte DetektionCRESST – Rückstöβe an verschiedenen Kernen des Targetmaterials

Leichte WIMPs übertragen weniger Energie an W-Kern alsschwere WIMPs der gleichen Energie.

Bei festgehaltenemEnergiefenster (10keV – 40keV) ändert sich die Zusammensetzung derRüchstoβereignisse.

Leichte WIMPs: imSauerstoffband zu sehen

Schwere WIMPs: im W-Band


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Kältebad

ThermischeKopplung

Thermometer(W-film)

AbsorberKristall

Vorteile der CRESST Technologie:

Messung der Energie (fast) unabhängigvon Teilchen

Sehr niedrige Energieschwelle, sehr gute Energieauflösung

Es können viele verschiedeneTargetmaterialien verwendet werden.

Res

ista

nce

[mΩ

]normal-leitend

supra-leitend

δT

δRSQUID basierte Auslese

Breite des Übergangs: ~1mK,

keV Signal: einige μKLangzeit Stabilität: ~ μK

Dunkle Materie Experimente - direkte DetektionCRESST – Detektionsprinzip


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Der Phononendetektor:

(8x6)mm2 W-TES auf 300g zylindrischen CaWO4Kristall h=40mm, Ø=40mm

Der Lichtdetektor:Ø=40 mm Silikon auf Sapphire wafer.

W-Thermometer mitAluminium Phononen-kollektoren und thermischer Kopplung. Part of thermal link usedas heater

Dunkle Materie Experimente - direkte DetektionCRESST – Detektoren

ZintillierendeReflektionsfolie


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Dunkle Materie Experimente - direkte DetektionCRESST – Aufbau am LNGS Untergrundlabor

Cu und Pb Schirm

PE Schirm gegen Neutronen

Szintillatorplatten als Myonenveto

Detektoren in Vakuumkammer

Thermische Kopplung an Mischkammer

Mischkammer (Kältebad)

LHe-Kryostat

LN-Kryostat

Schienen zum Bewegen der Abschirmung


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γ + βBand

O-recoil-Band

Bänder können aus bekannterEnergieuflösung des Lichtdetektorsund Quenchingfaktoren berechnet

werden.

Dunkle Materie Experimente - direkte DetektionCRESST – Aktuelle Datennahme

• Experiment nimmt Daten seit Sommer 2009• 10 voll funktionierende Detktoren (1 ZnWO4)• Klammern sind NICHT szintillierend (Untergrund) • Datenanalyse nicht abgeschlossen• Vorgestellte Daten stammen von 9 CaWO4

Detektoren (ca. 400 kg d)


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γ + β band

α band

O-recoil-band

W-recoil-band

α

Kristall

206Pb

206Pb

α

Feder ist nicht szintillierend

210Po 206Pb (104 keV) + α (5.4 Me)

Dunkle Materie Experimente - direkte DetektionCRESST – Aktuelle Datennahme


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Dunkle Materie Experimente - direkte DetektionCRESST – gleichzeitiger Nachweis von Phononen und Szintillation

Erwarteter Untergrund:Neutronen 0.9 Alpha’s aus 210Po Zerfall: 6.9Gamma band Überschneidung: 0.9

Erwartung im O-Band, gesamt: 8.7

Beobachtete O-Rückstoβereignisse: 32

Untergrunderwartung von (8.7 ± 1.4) Ereignissen ist nichtkonsistent mit der Messung von 32 Ereignissen

Könnte als Hinweis auf ein leichtes WIMP mit MWIMP<15 GeV und σ0 ca, 10-5pb interpretiert werden


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Ionisation

Phononen Szin

tilla

tion

{

CoGeNT, Texono

Edelw

eiss,

CDMS


DAMA,

UKDM

XENON,

WARP

CRESST – Nachweis von Phononen und Szintillation in


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Phononenauslese ähnlich wie bei CRESSTIonisationsauslese: Verwendung von Halbleiterdetektoren

Two detector towers HPGe Detector moduleCDMS cryostat

Dunkle Materie Experimente - direkte DetektionCDMS – Detektion von Ionisation und Phononen

Betriebstemperatur: 50mKDurchmesser: 76mmHöhe: 10mmDatennahme: Juli 2007 – Sept. 2008Verwendete Datenmenge: 612 kg-Tage (HPGe)

19 HPGe Detktoren: WIMP Messung

11 Si Detktoren: Neutronen Kalibration


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• 0 keV < Erec < 100 keV• Energie Im Rüchstoβband• Energieeintrag NUR in einem

Detektor• Kein Oberflächenereignis

Zwei Ereignisse imSignalbereich!

Bedingungen, die WIMP Kandidaten erfüllen müssen:


Untergrunderwartung: (0.9±0.2) Ereignisse

2 gemessene Ereignissesind mit Untergrundverträglich


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30


Ionisation

Phononen Szin

tilla

tion

{

CoGeNT,Texono

Edelw

eiss,

CDMS


DAMA,

UKDM

XENON,

WARP

CRESST – Nachweis von Phononen und Szintillation in


31

Entwicklung von HPGe Detektoren und JFETs mit sehrgeringer Kapazität (wenige pF) Verbesserung der

Energieauflösung und der Energieschwelle

Dunkle Materie Experimente - direkte DetektionCoGeNT – Nachweis von Ionisation mit sehr niedriger

Energieschwelle


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Energy [keV]

Cou

nts/

(kev

kg d

ay)


Energieschwelle

Entwicklung von HPGe Detektoren und JFETs mit sehrgeringer Kapazität (wenige pF) Verbesserung der

Energieauflösung und der Energieschwelle


33arXiv:1002.4703


Energieschwelle


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Sehr niedrige Energieschwelle:Gute Sensitivität auf leichte WIMPs

Mit Energieschwelle um 0.1keV: nachweis kohärenter Neutrinostreuung möglich!


Energieschwelle


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Ionisation

Phononen Szin

tilla

tion

{

CoGeNT, Texono

Edelw

eiss,

CDMS


DAMA,

UKDM

XENON,

WARP

XENON – Nachweis von Ionisation und Szintillation in tiefkaltem Edelgas


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37



Primäres Signal: Szintillation – dirketer Nachweis in PMTs

Sekundäres Signal: Ionisation – Drift der Elektronen in Gasphase, Nachweis über Szintillation des Gases mit PMTs


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Diese Annahme verbessert Sensitivität auf leichte WIMPs erheblich.Laut arxiv: unphysikalisch!

Öffentlicher Siput zwischen J. Collar und Xenon Kollaboration auf arXiv.

Energieabhängigkeit des Quenching-Faktors. Unterhalb 4keV keine

Messungen!


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CRESST


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Dunkle Materie Experimente - direkte DetektionLow Mass WIMP Kandidat CoGeNT, CRESST, DAMA


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Dunkle Materie Experimente - indirekte Detektion

Experimente zur indirekten Detektion von Dunkler Matrie suchennach Überschuβ im Signal der denkbaren Quellen (Galaxien, Sonne, Erde) verschiedener Kanäle. Meist keine dediziertenExperimente.

1. Positronen2. Antiprotonen bzw. Deuteronen3. Gammastrahlung4. Hochenergetische Neutrinos

}}

Staelliten-, BallonexperimenteErdgebundeneExperimente

• Erzeugung (abhängig vom DM-kandidaten)• Propagation der Teilchenim (Inter)galaktischen

Medium• Dunkle Materie-Dichten• Untergrundstrahlung aus bekannten galaktischen

Quellen (Pulsare, etc.)

Unsicherheiten in der Interpretation der Datensind groβ:


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Dunkle Materie Experimente - indirekte DetektionBeispiel eines Ballon gebundenen Experiments: HEAT

High Energy Antimatter Telescope

• Flugzeitmessung: Szintillator am Eingangsbereich, Richtungssensitivität

• Durchgangsstrahlungsdetektor: Xe-Proportionalzählkammern und Szintillationsphasern:Unterscheidung zwischen e+ und p

• Magnetisches Teilchenspektrometer: 26 Lagen von Driftkammern in starkemMagnetfeld:Ladungsvorzeichen und Impuls

• Elektromagnetisches Kalorimeter:10 Schichten Pb und Szintillatoren:Energiemessung e+ e-, Ende derFlugzeitmessung

Prinizipiell: Teilchenidentifikation und Energiemessung nötig!

Ankunftsrichtung der Teilchen

NIM A 400(1997)34


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Resultate des Satelliten gebundenen Experiments PAMELA


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PAMELA und HEAT Experimente messen unerklärtenÜberschuβ an Positronen mit Ee+>10 GeV

Resultate der Experimentes auf der Suche nach Positronen


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Dunkle Materie Experimente - indirekte DetektionResultate der Experimentes auf der Suche nach Positronen

Daten wären Konsistent mit WIMP MWIMP = 132 GeVNicht konsistent mit CoGeNT, CRESST und DAMA


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Dunkle Materie Experimente - indirekte DetektionResultate der Experimentes auf der Suche nach Positronen

Daten sind aber auch konsistent mit einigen Pulsar Modellen


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Dunkle Materie Experimente - indirekte DetektionErdgebundene Experimente: Suche nach hochenergetischen Neutrinos

Bei der Annihilation von WIMPs könnte (je nach Modell) aucheine signifikante Anzahl von hochenergetischen Neutrinos

entstehen

Nachweis durch Sekundärprodukte nach Neutrino-Kern Wechselwirkung νl + N l + X

Xθ

µνµ

N

Θ ~1.5o/Eν1/2

Rekonstruktion derAnkunftsrichtung

Nachweis des Myons durch Messung des Čerenkovlichtes.Sehr seltene Ereignisse Riesiges Detektorvolumen:

Neutrinoteleskope in Wasser und Eis

ICE Cube, Antares, Nestor, Baikal


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4800 optische Module an 86 Strings. Installation soll bis Januar 2011 abgeschlossen sein


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arXiv:0910.4480

Erste Ergebnisse zur DM Suche mit 22 installierten Strings antarktischer Winter 2007, 104.3 Tage Messzeit:

Limits of Kaluza-Klein Teilchen


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arXiv:0910.4480


Erste Ergebnisse zur DM Suche mit 22 installierten Strings antarktischer Winter 2007, 104.3 Tage Messzeit:

Limits of Kaluza-Klein Teilchen

Documents

3. Vorlesung: Dunkle Materie - Experimente · Herbstschule für Hochenergiephysik, Maria Laach, 13.Sept.2010 Béla Majorovits 3 Untergrundquelle Massnahme Gamma-Strahlung aus natürlicher