Experimente zur Dunklen Materie - Erlangenpulsar.sternwarte.uni-erlangen.de/wilms/teach/astrosem_ss10/veh.pdf · Kandidaten für dunkle Materie Axion Experimentelle Methoden-WIMPs

Kandidaten fuumlr dunkle MaterieAxion

Experimentelle Methoden-WIMPsExperimente-WIMPs

Experimente zur Dunklen Materie

Johannes Veh

1 Juli 2010

Johannes Veh Experimente zur Dunklen Materie

Inhaltsverzeichnis

1 Kandidaten fuumlr dunkle Materie

2 Axion

3 Experimentelle Methoden-WIMPs

4 Experimente-WIMPs

Kandidaten fuumlr dunkle Materie

Dunkle Baryonische Materie

Heiyumle Dunkle Materie

Neutrinos

Kalte Dunkle Materie

Baryonische Materie

Moumlgliche Kandidaten

Braune ZwergeStaubwolkenMACHOs(Massive Astrophysical Compact Halo Object)

httppulsarsternwarteuni-erlangendewilmsteachastrosem_ss10scherlpdf

Neutrinos

Durch Simulationenhohe Geschwindigkeit sorgt fuumlr zu starke Dispersion nach UrknallHeutige Strukturbildung damit nicht erklaumlrbarVerursachen Top-Down-Szenario dh groyumle Strukturen bilden sich vor kleinenGalaxienhaufen rarr Galaxien rarr SterneWiderspricht da Bottom-Up-Szenario als bewiesen gilt

kommt aus QuantenchromodynamikEigenschaften

freie Weglaumlnge 1022m = 10empty der Milchstrayumle

10minus6eV lt ma lt 10minus3eV Stand 2007

Lebensdauer ge 1025s (Alter des Universums 4 3 lowast 1017s)

httpwwwweltderphysikde_imgarticle_largeKATkat54c_rdax_640x488jpg

Nachweis Experimente

Light through wall Experimente

Erdgebunden Primako-Teleskope (zB CAST)

Roumlntgen Satelliten Experimente

Axions Theory Cosmology and Experimental Searches

CAST (Cern Axion Solar Telescop)

httpcastwebcernchCASTimagesCAST_ MagnetJPG

httpwwwweltderphysikde_imgarticle_largeKATkat55a_rdax_240x126_80jpg

Technische Daten

B = 90Tesla

L = 93Meter

B2L2 asymp 7000T 2m2

T=18 KelvinMessdauer 2 mal 15 Std pro Tag

httpwwwastroteilchenschulephysikuni-erlangendeschule2008teilnehmer_vortraegeVogel-Juliapdf

Wolter-I-Type Teleskop (Prototyp der ABRIXAS-Mission)pn-CCD (Prototyp der XMM-Newton-Mission)

GECOSAX (GEomagnetic COnversion of Solar Axions to X-rays)

Technische Daten

B = 30microTesla

L = 600km

B2L2 asymp 320T 2m2

in nThttparxivorgPS_cachearxivpdf080408043543v2pdf

Hintergrundstrahlung auf der Nachtseite der Erde (gemessen von Suzaku800ks)Axions Theory Cosmology and Experimental Searches

WIMPs(Weakly Interacting Massive Particles)

LSP (Lightest Supersymmetric Particle)10 GeV lt m lt 1000 GeVUngeladen (nur schwache Wechselwirkung)

Nachweismethoden

IonisationSzintillationKryogen

Wieviel Energieuumlbertrag Erwarten wir

Ekin =1

2mv2 =

2lowast (wenige GeV) lowast

(300 km

300000 kms

= wenige keV

Ereignisrate

Erwartete Ereignisrate

RWIMP 011

RBody asymp 8000 1saus 14C und 40K Zerfall

RRadon asymp 70001

rArr aktive und passive Abschirmung gegen Hintergrund noumltig

Ionisations Detektoren

httpwwwastroteilchenphysikdegrakdmcr_scattering_sjpg

WIMP Ruumlckstoyuml erzeugt eminus LochpaareDurch Anlegen einer Spannung erzeugen dieseeinen messbaren Strompuls

httpwwwastroteilchenschulephysikuni-erlangendeschule2006dozenten_vortraegeBaudis-Laura-2apdf

httpedelweiss2in2p3frImagesdetect_zoom1png

Szintillations Detektoren

httpwwwmppmumpgde~rwagnerskriptimg679gif

Funktionsweise

WIMP Ruumlckstoyuml erzeugt eminus Lochpaareeminus Wandern zu Aktivator AtomenEmission von Photonen

Anforderung an Szintillator Material

Ezienz im Wandeln von kinetischer Energie in PhotonenTransparenz fuumlr Emittiertes LichtKurze Abklingzeit

Kryogen Detektoren

Warum messen bei tiefen Temperaturen

c =4π4

ΘD Debye-Temperatur

Beispiel CRESST-Experiment

M = 262g(Al3O2) rarr m = 169times 10minus25kg ΘD= 1041K T=15mK∆E = 1keV

∆T =∆E

Mcsim 1

∆T asymp 31microK

FP Supraleitung

httpwwwastroteilchenschulephysikuni-erlangendeschule2006dozenten_vortraegeBaudis-Laura-1pdf

Vorlesung Experimentelle Techniken WS0910 Prof DrWeber

Entalpie unterscheidet sich in denPhasen

H100 3He gt H65 3He in 4He

Kuumlhlt das System mit∆Q = minus84T 2 J

K2molminus1

Passive Abschirmung

Standortwahl als Schutz vor Myonen(3 2 lowast 108mminus2yminus1 kosmischer Flussauf NN)

httpwwwastroteilchenschulephysikuni-erlangendeschule2006dozenten_vortraegeBaudis-

Laura-1pdf

Laura-2apdf

Neutronen

H-haltige Verbindungen zum Moderieren

Polyethylen [C2H4]n

Paran Wachs CnH2n+2

Cadmium als Neutronen Absorber

α-β-γ-Strahlung

StandortwahlKupfer BleiBeton

httpdewikipediaorgwikiCadmium

Aktive Abschirmung

Myon-Veto

Plastik GehaumluseNachweis von Myonen durch Cherenkov-LichtSzintillator GehaumluseNachweis durch Szintillation

EDWLWEISS-II httpedelweiss2in2p3frPresentationImagesgeneralview_edw2png

wwwastroteilchenschulephysikuni-erlangendeschule2006dozenten_vortraegeBaudis-Laura-1pdf

wwwastroteilchenschulephysikuni-erlangendeschule2006dozenten_vortraegeBaudis-Laura-2apdf

Uumlbersicht uumlber laufende Experimente

httpwwwecapphysikuni-erlangendesimkatzws04atptalksvbVBpdf

Ergebnisse

Vorlesung Astroteilchenphysik WS0910 Prof Dr Katz

httpwwwecapphysikuni-erlangendesimkatzws08atptalks1CSCSpdf

httpwwwastroteilchenschulephysikuni-erlangendeschule2008teilnehmer_vortraegeMotz-Holgerpdf

ANTARES

CAST httpcastwebcernchCAST

Welt der Physik httpwwwweltderphysikde

DAMA httppeopleroma2infnit~6damawebhomehtml

Axions Theory Cosmology and Experimental SearchesISBN978-3-540-73517-5

Vorlesung Astroteilchen Physik WS0910 Prof Dr Katzhttpwwwecapphysikuni-erlangende~katzws09vat

Homepage Prof Dr Gerhardt Uni Regensburg httpwwwphysikuni-regensburgdeforschungwegscheidergebhardt_lesskripten

Schule fuumlr Astroteilchenphysik der Uni Erlangenhttpwwwastroteilchenschulephysikuni-erlangendeschule2010indexhtml

Literaturverzeichnis

httptimmsuni-tuebingendeListList01aspxrpattern=UT_

20050____00[12]_astrophys_000_

httpwwwscienceblogsdediaxs-rakeuploaddec09wimp-thumb-250x338jpgJohannes Veh Experimente zur Dunklen Materie

Anhang

Inhaltsverzeichnis

1 Kandidaten fuumlr dunkle Materie

2 Axion

3 Experimentelle Methoden-WIMPs

4 Experimente-WIMPs

Neutrinos

Baryonische Materie

Neutrinos

Technische Daten

B = 90Tesla

L = 93Meter

Technische Daten

B = 30microTesla

L = 600km

B2L2 asymp 320T 2m2

Nachweismethoden

Ekin =1

2mv2 =

(300 km

300000 kms

= wenige keV

Ereignisrate

RWIMP 011

RRadon asymp 70001

Funktionsweise

Kryogen Detektoren

c =4π4

∆T =∆E

Mcsim 1

∆T asymp 31microK

FP Supraleitung

K2molminus1

Passive Abschirmung

Laura-1pdf

Laura-2apdf

Neutronen

Polyethylen [C2H4]n

Paran Wachs CnH2n+2

α-β-γ-Strahlung

Aktive Abschirmung

Myon-Veto

Ergebnisse

ANTARES

20050____00[12]_astrophys_000_

Anhang

Neutrinos

Baryonische Materie

Neutrinos

Technische Daten

B = 90Tesla

L = 93Meter

Technische Daten

B = 30microTesla

L = 600km

B2L2 asymp 320T 2m2

Nachweismethoden

Ekin =1

2mv2 =

(300 km

300000 kms

= wenige keV

Ereignisrate

RWIMP 011

RRadon asymp 70001

Funktionsweise

Kryogen Detektoren

c =4π4

∆T =∆E

Mcsim 1

∆T asymp 31microK

FP Supraleitung

K2molminus1

Passive Abschirmung

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Laura-2apdf

Neutronen

Polyethylen [C2H4]n

Paran Wachs CnH2n+2

α-β-γ-Strahlung

Aktive Abschirmung

Myon-Veto

Ergebnisse

ANTARES

20050____00[12]_astrophys_000_

Anhang

Baryonische Materie

Neutrinos

Technische Daten

B = 90Tesla

L = 93Meter

Technische Daten

B = 30microTesla

L = 600km

B2L2 asymp 320T 2m2

Nachweismethoden

Ekin =1

2mv2 =

(300 km

300000 kms

= wenige keV

Ereignisrate

RWIMP 011

RRadon asymp 70001

Funktionsweise

Kryogen Detektoren

c =4π4

∆T =∆E

Mcsim 1

∆T asymp 31microK

FP Supraleitung

K2molminus1

Passive Abschirmung

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Neutronen

Polyethylen [C2H4]n

Paran Wachs CnH2n+2

α-β-γ-Strahlung

Aktive Abschirmung

Myon-Veto

Ergebnisse

ANTARES

20050____00[12]_astrophys_000_

Anhang

Neutrinos

Technische Daten

B = 90Tesla

L = 93Meter

Technische Daten

B = 30microTesla

L = 600km

B2L2 asymp 320T 2m2

Nachweismethoden

Ekin =1

2mv2 =

(300 km

300000 kms

= wenige keV

Ereignisrate

RWIMP 011

RRadon asymp 70001

Funktionsweise

Kryogen Detektoren

c =4π4

∆T =∆E

Mcsim 1

∆T asymp 31microK

FP Supraleitung

K2molminus1

Passive Abschirmung

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Laura-2apdf

Neutronen

Polyethylen [C2H4]n

Paran Wachs CnH2n+2

α-β-γ-Strahlung

Aktive Abschirmung

Myon-Veto

Ergebnisse

ANTARES

20050____00[12]_astrophys_000_

Anhang

Technische Daten

B = 90Tesla

L = 93Meter

Technische Daten

B = 30microTesla

L = 600km

B2L2 asymp 320T 2m2

Nachweismethoden

Ekin =1

2mv2 =

(300 km

300000 kms

= wenige keV

Ereignisrate

RWIMP 011

RRadon asymp 70001

Funktionsweise

Kryogen Detektoren

c =4π4

∆T =∆E

Mcsim 1

∆T asymp 31microK

FP Supraleitung

K2molminus1

Passive Abschirmung

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Neutronen

Polyethylen [C2H4]n

Paran Wachs CnH2n+2

α-β-γ-Strahlung

Aktive Abschirmung

Myon-Veto

Ergebnisse

ANTARES

20050____00[12]_astrophys_000_

Anhang

Technische Daten

B = 90Tesla

L = 93Meter

Technische Daten

B = 30microTesla

L = 600km

B2L2 asymp 320T 2m2

Nachweismethoden

Ekin =1

2mv2 =

(300 km

300000 kms

= wenige keV

Ereignisrate

RWIMP 011

RRadon asymp 70001

Funktionsweise

Kryogen Detektoren

c =4π4

∆T =∆E

Mcsim 1

∆T asymp 31microK

FP Supraleitung

K2molminus1

Passive Abschirmung

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Neutronen

Polyethylen [C2H4]n

Paran Wachs CnH2n+2

α-β-γ-Strahlung

Aktive Abschirmung

Myon-Veto

Ergebnisse

ANTARES

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Anhang

Technische Daten

B = 90Tesla

L = 93Meter

Technische Daten

B = 30microTesla

L = 600km

B2L2 asymp 320T 2m2

Nachweismethoden

Ekin =1

2mv2 =

(300 km

300000 kms

= wenige keV

Ereignisrate

RWIMP 011

RRadon asymp 70001

Funktionsweise

Kryogen Detektoren

c =4π4

∆T =∆E

Mcsim 1

∆T asymp 31microK

FP Supraleitung

K2molminus1

Passive Abschirmung

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Neutronen

Polyethylen [C2H4]n

Paran Wachs CnH2n+2

α-β-γ-Strahlung

Aktive Abschirmung

Myon-Veto

Ergebnisse

ANTARES

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Anhang

Technische Daten

B = 90Tesla

L = 93Meter

Technische Daten

B = 30microTesla

L = 600km

B2L2 asymp 320T 2m2

Nachweismethoden

Ekin =1

2mv2 =

(300 km

300000 kms

= wenige keV

Ereignisrate

RWIMP 011

RRadon asymp 70001

Funktionsweise

Kryogen Detektoren

c =4π4

∆T =∆E

Mcsim 1

∆T asymp 31microK

FP Supraleitung

K2molminus1

Passive Abschirmung

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Neutronen

Polyethylen [C2H4]n

Paran Wachs CnH2n+2

α-β-γ-Strahlung

Aktive Abschirmung

Myon-Veto

Ergebnisse

ANTARES

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Anhang

Technische Daten

B = 30microTesla

L = 600km

B2L2 asymp 320T 2m2

Nachweismethoden

Ekin =1

2mv2 =

(300 km

300000 kms

= wenige keV

Ereignisrate

RWIMP 011

RRadon asymp 70001

Funktionsweise

Kryogen Detektoren

c =4π4

∆T =∆E

Mcsim 1

∆T asymp 31microK

FP Supraleitung

K2molminus1

Passive Abschirmung

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Neutronen

Polyethylen [C2H4]n

Paran Wachs CnH2n+2

α-β-γ-Strahlung

Aktive Abschirmung

Myon-Veto

Ergebnisse

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Anhang

Technische Daten

B = 30microTesla

L = 600km

B2L2 asymp 320T 2m2

Nachweismethoden

Ekin =1

2mv2 =

(300 km

300000 kms

= wenige keV

Ereignisrate

RWIMP 011

RRadon asymp 70001

Funktionsweise

Kryogen Detektoren

c =4π4

∆T =∆E

Mcsim 1

∆T asymp 31microK

FP Supraleitung

K2molminus1

Passive Abschirmung

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Neutronen

Polyethylen [C2H4]n

Paran Wachs CnH2n+2

α-β-γ-Strahlung

Aktive Abschirmung

Myon-Veto

Ergebnisse

ANTARES

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Anhang

Technische Daten

B = 30microTesla

L = 600km

B2L2 asymp 320T 2m2

Nachweismethoden

Ekin =1

2mv2 =

(300 km

300000 kms

= wenige keV

Ereignisrate

RWIMP 011

RRadon asymp 70001

Funktionsweise

Kryogen Detektoren

c =4π4

∆T =∆E

Mcsim 1

∆T asymp 31microK

FP Supraleitung

K2molminus1

Passive Abschirmung

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Neutronen

Polyethylen [C2H4]n

Paran Wachs CnH2n+2

α-β-γ-Strahlung

Aktive Abschirmung

Myon-Veto

Ergebnisse

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Anhang

Nachweismethoden

Ekin =1

2mv2 =

(300 km

300000 kms

= wenige keV

Ereignisrate

RWIMP 011

RRadon asymp 70001

Funktionsweise

Kryogen Detektoren

c =4π4

∆T =∆E

Mcsim 1

∆T asymp 31microK

FP Supraleitung

K2molminus1

Passive Abschirmung

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Neutronen

Polyethylen [C2H4]n

Paran Wachs CnH2n+2

α-β-γ-Strahlung

Aktive Abschirmung

Myon-Veto

Ergebnisse

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Anhang

Nachweismethoden

Ekin =1

2mv2 =

(300 km

300000 kms

= wenige keV

Ereignisrate

RWIMP 011

RRadon asymp 70001

Funktionsweise

Kryogen Detektoren

c =4π4

∆T =∆E

Mcsim 1

∆T asymp 31microK

FP Supraleitung

K2molminus1

Passive Abschirmung

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Neutronen

Polyethylen [C2H4]n

Paran Wachs CnH2n+2

α-β-γ-Strahlung

Aktive Abschirmung

Myon-Veto

Ergebnisse

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Nachweismethoden

Ekin =1

2mv2 =

(300 km

300000 kms

= wenige keV

Ereignisrate

RWIMP 011

RRadon asymp 70001

Funktionsweise

Kryogen Detektoren

c =4π4

∆T =∆E

Mcsim 1

∆T asymp 31microK

FP Supraleitung

K2molminus1

Passive Abschirmung

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Neutronen

Polyethylen [C2H4]n

Paran Wachs CnH2n+2

α-β-γ-Strahlung

Aktive Abschirmung

Myon-Veto

Ergebnisse

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Anhang

Nachweismethoden

Ekin =1

2mv2 =

(300 km

300000 kms

= wenige keV

Ereignisrate

RWIMP 011

RRadon asymp 70001

Funktionsweise

Kryogen Detektoren

c =4π4

∆T =∆E

Mcsim 1

∆T asymp 31microK

FP Supraleitung

K2molminus1

Passive Abschirmung

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Neutronen

Polyethylen [C2H4]n

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α-β-γ-Strahlung

Aktive Abschirmung

Myon-Veto

Ergebnisse

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Anhang

Ekin =1

2mv2 =

(300 km

300000 kms

= wenige keV

Ereignisrate

RWIMP 011

RRadon asymp 70001

Funktionsweise

Kryogen Detektoren

c =4π4

∆T =∆E

Mcsim 1

∆T asymp 31microK

FP Supraleitung

K2molminus1

Passive Abschirmung

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Neutronen

Polyethylen [C2H4]n

Paran Wachs CnH2n+2

α-β-γ-Strahlung

Aktive Abschirmung

Myon-Veto

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Ereignisrate

RWIMP 011

RRadon asymp 70001

Funktionsweise

Kryogen Detektoren

c =4π4

∆T =∆E

Mcsim 1

∆T asymp 31microK

FP Supraleitung

K2molminus1

Passive Abschirmung

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Neutronen

Polyethylen [C2H4]n

Paran Wachs CnH2n+2

α-β-γ-Strahlung

Aktive Abschirmung

Myon-Veto

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Funktionsweise

Kryogen Detektoren

c =4π4

∆T =∆E

Mcsim 1

∆T asymp 31microK

FP Supraleitung

K2molminus1

Passive Abschirmung

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α-β-γ-Strahlung

Aktive Abschirmung

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Kryogen Detektoren

c =4π4

∆T =∆E

Mcsim 1

∆T asymp 31microK

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K2molminus1

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Kryogen Detektoren

c =4π4

∆T =∆E

Mcsim 1

∆T asymp 31microK

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K2molminus1

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Kryogen Detektoren

c =4π4

∆T =∆E

Mcsim 1

∆T asymp 31microK

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K2molminus1

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Kryogen Detektoren

c =4π4

∆T =∆E

Mcsim 1

∆T asymp 31microK

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K2molminus1

Passive Abschirmung

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α-β-γ-Strahlung

Aktive Abschirmung

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K2molminus1

Passive Abschirmung

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α-β-γ-Strahlung

Aktive Abschirmung

Myon-Veto

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Passive Abschirmung

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Paran Wachs CnH2n+2

α-β-γ-Strahlung

Aktive Abschirmung

Myon-Veto

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Polyethylen [C2H4]n

Paran Wachs CnH2n+2

α-β-γ-Strahlung

Aktive Abschirmung

Myon-Veto

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Myon-Veto

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