Direkter Nachweis dunkler Materie

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1 Direkter Nachweis dunkler Materie Julien Wulf HAUPTSEMINAR "DER URKNALL UND SEINE TEILCHEN" KIT Universität des Landes Baden-Württemberg und nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft

2 2 / 33 Inhalt 1 Wiederholung 2 Direkte Nachweismethode 3 Theoretische Überlegungen 1 Reaktionsrate 2 Einflussfaktoren 4 Experimente 1 DAMA/LIBRA 2 EDELWEISS-II 3 XENON Zusammenfassung

3 3 / 33 Wiederholung Es gibt einige Evidenzen auf dunkle Materie: Rotationsgeschwindigkeit von Spiralgalaxien Gravitationslinseneffekt Kosmische Hintergrundstrahlung Strukturbildung

4 4 / 33 Wiederholung Ein favorisierter Kandidat für das dunkle Materie Teilchen folgt aus der Supersymmetrie. Dies ist das LSP das sogenannte Neutralino. Dieses Teilchen fällt unter den Begriff WIMP (Weakly Interacting Massive Particles) und erfüllt einige Bedingungen für die dunkle Materie: Elektrisch neutral Hauptsächlich nur gravitativ Wechselwirkend Eine Masse von m χ > 17GeV Stabil Die lokale Dichte beträgt ρ χ = 0.3 GeV cm 3

5 5 / 33 Direkte Nachweismethode Der direkter Nachweis der dunkle Materie erfolgt über die elastische WIMP-Kernstreuung. Dabei wird die Energie des Rückstoßkern beobachtet. Wichtig nur elastische WIMP-Kernstreuung. Keine inelastische WIMP Streuung, da die kinetische Energie zu gering ist.

6 6 / 33 Es gibt dabei 3 verschiedene Arte um WIMPs im Detektor anhand der Kernstreuung nachzuweisen: Die Rückstoßenergie wird in Form von Wärmen, die durch Phononen verursacht wird, gemessen. Der Rückstoßkerns schlägt bei seine Nachbaratome Elektronen aus. Es entstehen somit Elektronen Lochpaare. Die vom Rückstoßkern erzeugte Ionen fangen sich nach kurzer Zeit wieder ein Elektron ein und fallen dann wieder unter Aussendung eines Photons in den Grundzustand zurück.(szintillation)

7 7 / 33 Theoretische Überlegungen Die Rückstoßenergie ergibt sich analog zur elastischen Neutronen-Kernstreuung durch: E R = M k M 2 χ (M χ + M k ) 2 v 2 χ(1 cos θ) Abschätzung für maximale übertragbare Energie mit: M χ 100 GeV, M c 2 k 70 GeV (Ge) und v c 2 χ 10 3 c E k = 110keV Abschätzen der erzeugten Elektronen: 110keV 6eV 18000

8 8 / 33 Die klassische Berechnung der Reaktionsrate, also die Gesamtzahl der Reaktionen pro Zeiteinheit, ist gegeben durch: R = φ χ N T σ χ Dabei ist φ χ der Fluss und ist gleich dem Produkt aus Teilchendichte und Teilchengeschwindigkeit: φ χ = n χ v χ N T ist die Gesamtzahl der Targetteilchen: N T = n T V σ χ ist der Wirkungsquerschnitt der aus der SUSY-Theorie vorhergesagt werden kann. N T = (1kg), φ χ = cm 2 s & σ χ = cm 2 R = d

9 9 / 33 Jährliche Modulation der Streurate Durch Überlagerung von Geschwindigkeitsvektor v S der Sonne und v E Erde bewegt sich der Erde unterschiedlich schnell durch die WIMPs. Modulation der Streuraten Dieser Effekt ist ca 2 7% groß

10 10 / 33 Einflussfaktoren Reaktionsrate der WIMP-Kernstreuung sehr gering 238 U, 232 Th, 40 K Zerfälle erzeugen Gammas & Neutronen Myonen aus der Kosmischen Strahlung erzeugen Neutronen Neutronen ähneln der WIMP Teilchen nur σ n >> σ χ Problem zur Unterscheidung vom Hintergrund

11 11 / 33 Abschirmung Experiment im Untergrund Luftfilterung Aktive Abschirmung durch Myonendetektor Passive Abschirmung durch Pb,Cu, Pe Verwendung reinster Materialien Römer

12 Experimente zum Nachweis von DM 12 / 33

13 Experimente zum Nachweis von DM 13 / 33

14 DAMA/LIBRA Gran Sasso ( großer Fels ) ist ein Gebirgsmassiv ( 3000m) in Süditalien. In Nebenanlage des Tunnels: Laboratori Nazionali del Gran Sasso 14 / 33

15 15 / 33 DAMA/LIBRA (DArk MAtter/Large Sodium Iodide Bulk for Rare processes). Detektionsprinzip: NaJ Szintillation Stoßmaterial: 250 kg NaJ(Tl) aus 25 Kristallen (5x5 Matrix) Auslese: Detektion des Lichts über 2 PMT an jedem Kristall Untergundabschirmung: 15 cm Kupfer, 10 cm Blei, Paraffin und Polyethylen, Beton und N 2 -Atmosphäre Ziel: Messung der jährliche Modulierten Streurate

16 Messzeit 6-jährige Datennahme von September 2003 September / 33

17 17 / 33 Resultate Messungen weisen eine jährliche Modulation der Streurate auf Modulation wurde nur im 2-6keV Bereich gefunden Die statistische Signifikanz ist sehr hoch Ist der Direkte Nachweis schon erfolgt???

18 18 / 33 Kritik Großer Streit um die DAMA/LIBRA-Ergebnisse, da es einige Kritikpunkte gibt: Modulation könnte natürliche Einfluss des Temperatur Unterschieds zwischen Sommer und Winter sein Untergrundstrahlung kann nicht ausgeschlossen werden, da nur 1 Detektionsprinzip verwendet wird. Kein anderes Experiment kann dieses Phänomen beobachten Andere Experimente zum überprüfen benötigt

19 EDELWEISS-II 19 / 33

20 20 / 33 EDELWEISS-II (Experience de DEtecter Les WIMPs En Site Souterrain) Detektionsprinzip: Gleichzeitig Messung von Ionisation und Wärme (Kryogen-Bolometer) Wieso 2 Signale messen? Stoßmaterial/Absorber benötigt eine niedrige spezifische Wärmekapazität. T = E V c V Bolometer wird im mk Bereich betrieben um spezifische Wärme C v zu minimieren. C v T 3

21 21 / 33 Sehr gute Diskriminierung zwischen WIMPs und Gammastrahlung durch das Signalverhältnis von: y = E ion E phonon Ionisationsdichte vom Rückstoßkern ist sehr hoch. E ion = 1 3 E phonon Gammastrahlung besitzt eine niedrige Ionisationsdichte. E ion = E phonon

22 22 / 33 Der Versuchsaufbau Mehrschichtige Abschirmung (Myonendetektor, Blei, Kupfer ) Mehrere Detektoren werden in einem Turm angeordnet

23 23 / 33 Messung Durch Kalibrierung mit einer Neutronenquelle (Co 60 ) und einer Gammaquelle (Ba 133 ) wurde der Bereich für die WIMPs eingeschränkt Messzeit: Suche ab 20keV 10 Ge-Detektoren 4 WIMP Kandidaten sehr gute Gamma Unterdrückung

24 24 / 33 Ergebnisse Das EDELWEISS-II-Experiment gibt eine neue Ausschlusskurve für die WIMPS an. EDELWEISS-II-Experiment kann den von DAMA/LIBRA gefundenen Bereich komplett ausschließen Ob die 4 beobachteten Ereignisse wirklich zu einem WIMP gehören werden zurzeit noch untersucht. Zurzeit ist die Annahme das dies ein Rauschen ist Noch höhere Sensitivität benötigt

25 XENON / 33

26 26 / 33 Wieso Xenon? Xenon ist relativ preiswert < 800/$/kg Die Große Massenzahl (A 131) liefert eine hohe Streuraten bei niedrigen Kernrückstößen. Wegen der hohen Dichte von Xenon besitzt es eine gute Selbstabschirmung. Man bekommt Xenon mit einem sehr hohen Reinheitsgrad Ist ein guter Szintillator und Ionisator im Gegensatz zu anderen edlen Flüssigkeiten. Gleichzeitiges messen von Ionisation und Licht möglich.

27 27 / 33 Detektionsprinzip Messung von Ionisation und Licht Beide Signale werden mittels PMTs gemessen Diskriminierung anhand des Verhältnis von S 1 S 2

28 28 / 33 Versuchsaufbau Im Detektor befindet sich 165kg flüssiges Xenon 100kg werden für die Analyse benutzt Der Detektor besitzt 242 PMTs Zur Abschirmung wird der Detektor in einen Schrank gestellt. Blei, Kupfer, Polyethylen und Beton werden zur Abschirmung verwendet

29 29 / 33 Messung Messzeit: 100 Tage Vor Messbeginn wurde eine Kalibrierung durchgeführt 3 Kandidaten für WIMPs gefunden Diese Kandidaten könnten auch vom Hintergrund herrühren.

30 30 / 33 Ergebnisse Das im Betrieb befindliche Xenon-100-Experiment besitzt die höchste Sensitivität auf der Welt. DAMA/LIBRA kann weitestgehend ausgeschlossen werden Xenon-100 drückt die Ausschlusskurve weiter nach unten Irgendwann wird ein SUSY-Teilchen ausgeschlossen.

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32 32 / 33 Aktuelle Meldung vom CRESST-Experiment in der SZ 57 Ereignisse, die auf ein neuartiges, bislang unbekanntes Teilchen hinweisen, haben die Cresst-Physiker nun gefunden. CREEST-Experiment ist ähnlich zum EDELWEISS-II-Experiment XENON-100 kann den Bereich ausschließen Untersuchung des Versuchsaufbau Eine Veröffentlichung ist in Vorbereitung

33 Fazit 33 / 33