Dunkle Materie-Experimente

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1 Dunkle Materie-Experimente Der Kampf im Untergrund gegen den Untergrund Hardy Simgen Max-Planck-Institut für Kernphysik

2 Die Suche nach der Nadel im Warum ist sie so schwierig? Nadel und Heu sehen ähnlich aus. Es gibt viel mehr Heu. Heuhaufen Suche nach dunkler Materie ist (aus den gleichen Gründen) noch viel schwieriger.

3 Ereignisse und Untergrund Ein Ereignis ist, wenn etwas passiert. In der Teilchenphysik: Wenn ein (Elementar-) Teilchen an ein anderes Teilchen (z.b. ein Atom) stößt (Billard). Es gibt interessante Ereignisse (von dunkler Materie) und uninteressante Ereignisse. Diese nennt man Untergrund-Ereignisse (das Heu bei der Dunklen Materie- Suche).

4 Woher kommt die Untergrundereignisse Durch alles, was ein normales Teilchen fest genug stoßen kann. Fest genug bedeutet für Physiker mit genügend hoher Energie. Radioaktive Strahlung hat genügend Energie um Atome fest genug zu stoßen.

5 Was ist Radioaktivität?

6

7 Talabstieg der radioaktiven Atome Leichter (schwieriger) Weg nach unten = kurze (lange) Abstiegszeit. Berglage höhere Energie als Tallage -> Freisetzung von Energie durch Abstieg. Talabstieg = Radioaktiver Zerfall Abstiegszeit = Lebensdauer freigesetzte Energie = Radioaktive Strahlung

8 Nuklidkarte: Alle Atomkerne auf einen Blick

9 Arten radioaktiver Strahlung Alpha-Strahlung: Helium-Kerne (viel kleiner als Mutterkern) geringe Durchdringungskraft Beta-Strahlung: Elektronen mittlere Durchdringungskraft Gamma-Strahlung: Elektromagnetische Welle hohe Durchdringungskraft

10 Alpha-Strahlung

11 Beta-Strahlung

12 Aufbau eines Germanium-γ-Spektrometers Germanium-Kristall Kühlfinger Verstärker HV PC Thermos-Kanne (Dewar) Flüssiger Stickstoff (-196 o C)

13 Wirkungsweise eines Germanium-γ-Spektrometers Photon γ" Germanium-Kristall Elektron Elektron Loch Hochspannung (HV) Übertragung der Energie der Gammastrahlung auf ein Elektron (ganz oder teilweise). Dieses Elektron erzeugt durch Ionisation viele Elektron-/Loch-Paare. Absaugen und verstärken dieser erzeugt meßbares, elektrisches Signal.

14 Der radioaktive Zerfall von 137 Cs 137 Cs β " 95% β " 5% γ " (662 kev) 137 Ba Halbwertszeit: 30,0 Jahre

15 Histogramm: γ-spektrum von 137 Cs Αnzahl der Ereignisse pro Energieintervall (1keV) γ-linie bei 662 kev γ Energie [kev] aufgeteilt in Intervalle von 1 kev

16 Quiz: Was hiervon ist radioaktiv? A: Kunststoff B: Stahl D: Gar nichts C: Mensch

17 1 Becquerel (Bq) = 1 radioaktiver Zerfall / Sekunde Quiz: Was hiervon ist radioaktiv? ~0,0005 Bq/kg ~0,02 Bq/kg Praktisch alles auf unserer Erde ist radioaktiv. Deswegen stört auch praktisch alles die Suche nach dunkler Materie. ~100 Bq/kg

18 Zusammenfassung: Der Kampf gegen den Untergrund Störende Radioaktivität (Untergrundstrahlung) ist überall. (Massive) Abschirmung vermindert Untergrund. Problem: Abschirmmaterial darf selbst keine Radioaktivität enthalten. Zwiebelschalenprinzip: Jede Lage reiner als die vorhergehende. Ziel für zukünftige Dunkle Materie-Suche: <1 Ereignis pro Kilogramm und pro Jahr im relevanten Energiebereich: Etwa 1 Milliarde mal reiner als natürliche Umgebungsstrahlung.

19 Der Kampf gegen den Untergrund Wieso im Untergrund?

20 Szintillationszähler Radioaktive Strahlung regt Szintillatoratome an. Abregung durch Emission von Licht. Absorption von Licht in lichtempfindlichem Detektor und Konversion in elektrisches Signal. Keine Energieinformation, reines Zählexperiment. Szintillatorplatte Lichtleiter Detektor und Elektronik

21 Myonen und Gammstrahlung im Szintillationsexperiment

22 Kosmische Strahlung Höhe [km] [hpa] p,α + N,O Druck Elektronen Neutronen Myonen Photonen Protonen Pionen werden schon durch wenige Meter Gestein absorbiert können (abhängig von ihrer Energie) bis zu mehrere Kilometer tief ins Gestein vordringen

23 Das Gran-Sasso-Untergrundlabor

24 Aufbau eines Dunkle Materie- Experiments am Beispiel Xenon100 tief unter der Erde (1,3 km). gut abgeschirmt mit Kupfer / Blei. zusätzlich wasserstoffreiche Abschirmung (H 2 O, Polyethylen) gegen Neutronen. Luftverdrängung mit N 2. Sauberst denkbares Targetmaterial gefordert.

25 Der verbleibende Feind: Interner Untergrund (Beispiel Xenon) Beste Abschirmung nützt nichts, wenn Detektionsmedium radioaktiv ist. Gase / Flüssigkeiten können (nach-)gereinigt werden. Radioaktivität in Xenon hauptsächlich durch gelöste radioaktive Edelgase (Radon, Krypton). große Expertise bezüglich Reinigung und Messung am MPIK -> Messung von einzelnen Atomen in Kubikmetern Gas!

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