Astroteilchenphysik I

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1 Astroteilchenphysik I Wintersemester 2015/16 Vorlesung # 14, Guido Drexlin, Institut für Experimentelle Kernphysik, Fakultät für Physik Dunkles Universum - direkter CDM-Nachweis: Spin-abhängige Streuung WIMP-Plot - Nachweismethoden: 1- und 2-Parameter-Experimente - Szintillatoren: DAMA, XMASS KIT Die Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft

2 Indirekter WIMP Nachweis e +, p & _ PAMELA p, e ,,... AMS-02 Resultate: - Positronenüberschuss: DMA oder Gamma-Pulsare - DMA von solaren WIMPs: GeV- s G. Drexlin VL14

3 direkter WIMP Nachweis WIMP Elastischer Kernrückstoß: WIMP überträgt Energie an Gesamtkern, Stoßkinematik abhängig von: - Targetkernmasse M N (Si, Ge, Xe, ) - WIMP-Masse M (GeV TeV) E R µ 2 E kin 1 cos M M N E R Kernrückstoß WIMP WIMP Wechselwirkung: - skalare Wechselwirkung mit s SI dominiert in vielen SUSY Modellen: Austausch von Higgs, skalarem Quark - kohärente Wechselwirkung des WIMPs mit allen Nukleonen 0 0 H, h s = 0 q q G. Drexlin VL14

4 Neutralino-Streuprozesse: spinabhängig axialvektorielle Wechselwirkung: Neutralino-Spin koppelt an den Kern-Spin 0 0 Mechanismus: - Austausch Z 0 -Boson - Annihilationsprozesse s = 1 Z 0 J Kern q q spin-abhängige 0 -Wechselwirkungen (s SD : spin dependent) - Spinstrukturfunktionen: Nukleonenspin (p,n) aus Partonen - Spinmatrixelemente: Nukleonen im Kern ( mittlerer p/n-spin im Kern) - Schalenmodell: Kernspin aus gekoppelten Nukleonen G. Drexlin VL14

5 Spinabhängige WIMP Streuung s SD ~ s 0 a p S p a n S n 2 J 1 J J : Kernspin durch ungepaartes Nukleon (Proton / Neutron) da Paarungsterm durch kurzreichweitige Kernkräfte S p,n :Erwartungswert für Proton/Neutron (z.b. 5/2, 1/2) berechnet mit dem Schalenmodell der Kerne p Kopplung J=0 nur Targets mit J 0 sind auf spinabhängige WIMP-Streuung sensitiv Targetkern-Beispiele für s SD (sensitiv auf a p oder a n ): a p,n : WIMP-Proton/Neutron Kopplung (abhängig von SUSY) Detektortyp Isotop Anteil Protonen Neutronen Kernspin J Kopplung NaJ 23 Na /2 a p (Szintillator) 127 I /2 a p LXe 131 Xe 21.2 % /2 a n (TPC/Szintillator) 129 Xe 26.4 % /2 a n Ge (Bolometer) 73 Ge 7.8 % /2 a n p G. Drexlin VL14

6 WIMP Streuraten Beispiel für 73 Ge Größenordnung von WIMP Streuraten Beispiel: Rate der (spin-abhängigen) WIMP- Streuung in einem Germaniumdetektor - Ge-Target mit M = 1 kg 13.8 mol (Molmasse Ge: µ = 72.6 g/mol) N = Targetatome davon: 8% Isotopenanteil 73 Ge (Isotop mit Kernspin 0) Ge s SD = cm 2 (spinabhängiger Wirkungsquerschnitt) R N 73 Ge s SD ~ kg -1 Tag -1 WIMP Detektoren benötigen Targetmassen > 100 kg G. Drexlin VL14

7 WIMP Streuraten: Energieabhängigkeit Genaue Berechnung von Raten/Spektren: energieabhängige Werte R N Kern E E kin,max kin,min ( E) s ( E) de N s SI / SD (E) Energie- (Geschwindigkeits-) abhängiger WIMP-Fluss Kern SI / SD s(e) energieabhängiger elastischer Streuwirkungsquerschnitt (SUSY) N G. Drexlin VL14

8 Rate E > E r (Ereignisse/kg/Tag) WIMP - Rückstoßspektren Rückstoß-Spektrum für skalare Wechselwirkung (kohärent, Formfaktor) dr de R ds ~ v f (v) d v de R Rückstoßenergie E r (kev) Kernrückstoßenergien im kev-bereich Rückstoßspektrum abhängig von - WIMP-Halomodell (r CDM, v 0 ) : je größer v 0, je höher die Rate - Neutralinomasse M - Targetkernmasse M N - Kernstruktur (Formfaktor F) Detektor-Energieschwelle - wichtig: niedrige Schwelle im Bereich von kev, gilt insbesondere für schwere Targetkerne Xenon, Jod G. Drexlin VL14

9 WIMP Streuquerschnitt s Streu (cm 2 ) normiert pro Nukleon WIMP Plots Experimentelle Resultate WIMP Plot: Darstellung der Ergebnisse als Funktion von Masse M & s Streu leichte WIMPs: Effekt durch Detektor- Energieschwelle, da E R immer kleiner (M < M N ) optimale Effizienz schwere WIMPs: Effekt durch Abnahme des WIMP Flusses - größere Targetmasse G. Drexlin VL WIMP Masse M (GeV)

10 Wo sind die DM-Detektoren? G. Drexlin VL04

11 Nachweismethoden 1 Messparameter CRESST-I XMASS CLEAN Zeplin I Phononen Szintillation 0 0 HDMS, DRIFT DAMA/Libra ANAIS NAIAD KIMS Ionisation G. Drexlin VL14

12 Nachweismethoden 2 Messparameter Szintillation & Phononen CRESST-II ROSEBUD CDMS Edelweiss 0 0 XENON LUX WARP ArDM ZEPLIN II,III Phononen & Ionisation Ionisation & Szintillation G. Drexlin VL14

13 Szintillatoren für Kernrückstoß Vorteile: - große Target-Masse: M = 100 kg 1 Tonne Suche nach Modulation mit T = 1 Jahr Selbstabsorption des externen Untergrunds - bekannte Detektor-Technologie: anorganisch (NaJ, CsJ), flüssige Edelgase (LXe) - gute intrinsische Reinheit & hohe Lichtausbeute - sensitiv auf spin-abhängige Wechselwirkung: 23 Na, 127 I, 131 Xe - lange, kontinuierliche Messzeiten möglich (viele Jahre) Nachteile: - nur moderate Untergrund-Diskriminierung d.h. Separation von Kernrückstößen & Elektronen - begrenzte Ortsauflösung (Segmentierung) LXe Szintillation NaJ, CsJ G. Drexlin VL14

14 Szintillation DAMA/LIBRA DArk MAtter Experiment: NaJ Szintillationsdetektor-Array Target: kg hochreine NaJ Kristalle (Szintillatoren) Schwelle E thres = 2 kev ee ( 20 kev Rückstoßenergie 23 Na ) Auslese: 2 PMT s / Kristall, Lichtausbeute 5-7 p.e. / kev Untergrund: sehr geringe NaJ Eigenaktivität, Abschirmung : Beton, Paraffin, 15 cm Boliden-Pb, 10 cm Cu, 1-2 Ereignisse/keV/kg/Tag NaJ Kristalle Plexiglasbox N 2 Atmosphäre DAMA Set-up am LNGS G. Drexlin VL14

15 Residuen [Ereignisse pro Tag/kg/keV] DAMA jährliche Modulation 7 Jahre Datennahme ( kg-tage) von Januar 1995 Juli 2002 Modulation der Ereignisrate mit T = 1a & erwarteter Phase (t 0 = 2. Juni) - Signal nur knapp oberhalb der hardware Schwelle bei E = 2-6 kev - keine Modulation bei E = 6-14 kev, statistische Signifikanz (CL) = 6.3 s - Interpretation von DAMA als Evidenz für direkten WIMP-Nachweis (??) t 0 = Tage, T = 1.00 J Messzeit [Tage] G. Drexlin VL14

16 log dn / de WIMP Streuung jährliche Modulation Modulation des WIMP- Rückstoßspektrums - Überlagerung der Geschwindigkeitsvektoren v S (Sonne) & v E (Erde) Periode T = 1.00 Jahr Phase j 0 = 2. Juni WIMP Wind Juni v(t) v0 v E cos(60) cos ( t t0) ~2-7% Effekt galakt. Ebene Dezember v E = 30 km/s G. Drexlin VL14 Dezember Juni Rückstoßenergie E

17 DAMA/LIBRA LIBRA - Large Sodium Iodide Bulk for RAre processes Nachfolge-Experiment von DAMA kg NaJ (Tl) aus 25 Kristallen (5 5 Matrix) Messungen DAMA/Libra - Datennahme seit 9/2003 Resultate - Bestätigung des DAMA Modulationssignals: gleiche Amplitude & Phasenrelation - Gesamtexposition (2008) Masse Jahre = 0.82 t Jahre statistische Signifikanz 8.2 s für Signal mit jährlicher Modulation - favorisierter WIMP Parameterbereich (M, s) wird aber von Xenon-Experimenten ausgeschlossen (auch für sehr leichte WIMPs!) G. Drexlin VL14

18 Szintillation XMASS XMASS: Xenon detector for Weakly Interacting MASSive Particles Experiment in der Kamioka Mine in den japanischen Alpen Ziel: schrittweise Vergrößerung der Xenon-Targetmasse, bessere Selbstabsorption des Untergrunds durch LXe (10-4 Ereignisse/kg/keV/Tag) Technik: UV-Szintillationslicht in flüssig-xenon (LXe) (T = 165 K) bei l = 175 nm, Rayleigh-Streuung limitiert Ortsauflösung Status: erste Messungen mit 800 kg (100 kg. fid.) Detektor 100 kg (3 kg fid.) Ø=0.3m 800 kg (100 kg fid.) Ø=0.8m 23 t (10 t fid.) Ø=2.5m G. Drexlin VL14

19 XMASS - Resultate XMASS: Status: Xenon detector for Weakly Interacting MASSive Particles neue 2015er Resultate mit Messungen basierend auf Exposition von 832 kg x 16 Monaten schließen DAMA/Libra DM-Signal mit hoher Konfidenz aus G. Drexlin AT14

20 DAMA/Libra Ausschluss DAMA/Libra Daten (bevorzugte Regionen) und Ausschlussgrenzen anderer Experimente (Spin-unabhängige Wechselwirkung) NaJ Xe DAMA/Libra CDMS-II (Si) CRESST-II CoGeNT DAMA/Libra CRESST-II CDMS-II (Si) XENON-100 LUX LUX WIMP Masse M (GeV) WIMP Masse M (GeV) G. Drexlin DM3

21 2-Phasen-Detektoren: Masse vs. Oberfläche Bolometer: ~30 kg, sehr niedrige Energieschwelle, große Oberfläche, gute Diskriminierung Edelgase: führende Technologie für WIMPs aktuell Multi-Tonnen Detektoren Sensitivität eines DM-Experiments skaliert mit Masse LXe Ge Systematik & Untergrund eines DM-Experiments skaliert mit Oberfläche Bolometer flüssige Edelgase G. Drexlin AT14

22 3.5.2 Kryogene Bolometer kryogene Tieftemperatur-Bolometer im mk Bereich (CRESST, CDMS, ) Vorteile: - gute Kernrückstoß-Sensitivität (Phononen) - relativ niedrige Energieschwelle - gute Energieauflösung (~150 6 kev) - verschiedene Targetmaterialien (Ge, Si, CaWO 4 ) - Kombination Photonen mit Ionisation & Szintillation: gute Abtrennung von Gammas & Elektronen - modularer Aufbau ( skalierbar & sequentiell erweiterbar, ggfs. Austausch von Einzeldetektoren) Ge Nachteile: - aufwändige mk-kryotechnik (Aufbau, Messen) - sehr beschränkte Targetmasse (~ 30 kg bisher) - modularer Aufbau ( große innere Oberfläche) CaWO G. Drexlin VL14

23 Kryo-Bolometer Messprinzip Meßprinzip eines kryogenen Bolometers (Kalorimeters): - Energiedeposition E R des Rückstoßkerns aus der 0 -Streuung führt zu kleiner, aber messbarer Temperaturerhöhung DT im Absorber - Absorber (Ge, Si, CaWO 4 ) mit Masse M ~ 300 g bei T 0 = mk - Thermometer zur Messung des Temperaturanstiegs DT im Absorber - Wärmebad (schwache Ankopplung) zur Rückführung des Absorbers auf T 0 DT ER V C V wichtig: kleine spezifische Wärmekapazität C V des Absorbers begrenzt die Masse M eines kryogenen Bolometers (~ 1kg) G. Drexlin VL14

24 Bolometer bei mk Temperaturen Betriebstemperaturen im mk Bereich erfordern 3 He / 4 He Misch-Kryostaten Mischungs- bzw. Verdünnungs- Kryostat flüssig-n 2 flüssig-he Mischkammer internes Pb-Schild Pb-Schild (20 cm) Cu-Schild (14 cm) Detektoren m 0 1 Bolometerbetrieb im mk Bereich: Minimierung der spezifischen Wärme C V bei T«T C : Debye sches Gesetz für C V C V kev cm K T Q T Q = materialspezifische Debye-Temperatur (Ge: 374 K, Si: 645 K) 250 g CaWO 4 Kristall: Wärmekapazität T = 1 K C = 130 MeV / µk T = 25 mk C = 2 kev / µk Beispiel: 100 g Ge-Detektor bei 10 mk, E R = 1 kev DT = 1 µk T G. Drexlin VL14

25 Kryo-Bolometer: Phononen Phonon-Signal: - WIMP-Rückstoßkern wird nach d < 1 µm gestoppt: - Ausbreitung einer sphärischen Phononenwelle - Phononen: elementare Gitterschwingungen Moden: akustisch / optisch Phononen sind Quasiteilchen akustische Mode Phonon-Art Energie Thermodynamik quasi-ballistisch 1 10 mev E ph» k B T ( T > 10 K) thermisch < 0.1 mev E ph ~ k B T ( T < 1 K) nicht im Gleichgewicht im Gleichgewicht (Umrechnungsfaktor 1K ~ 0.1 mev): Quasi-ballistische Phononen zerfallen in thermische Phononen Vergleich Phononen Ionisation in Germanium: - elementare Phononen-Anregung DE < 1 mev - Energie für 1 Elektron-Loch Paar DE ~ 2.9 ev (Ge-Bandlücke: 0.9 ev) G. Drexlin VL14

26 Kryo-Bolometer: Thermistoren Thermistor: misst µk Temperaturanstieg des Absorbers (Phononen aus Absorber koppeln in Thermistor ein), Ziel: kleines DT großes DR thermische Phononen langsames Signal, Auslese durch hochreine, speziell dotierte Halbleitersensoren : log R(T) ~ T -½ NTD-Germanium (Neutron Transmutation Doped) temperaturabhängiger Widerstand R(T) des Sensors, hochohmig: NTD-Ge bei 30 mk: R ~ 10 6 W ballistische Phononen TES: Wolfram-Thermometer (8 6)mm 2, aufgedampft, T c =10 mk schnelles Signal, Auslese durch supraleitende Sensoren: TES (Transition Edge Sensor), dünner supraleitender Film (Aufbruch Cooper-Paare) Übergang supraleitend-normalleitend, T 0 = mk supraleitend. Phasenübergangs-Thermometer SPT niederohmig: R ~ mw - TES-Auslese erfolgt durch SQUIDs G. Drexlin VL14

27 Widerstand R Phononen-Auslese: TES TES-Thermistoren zur Auslese ballistischer Phononen: - Betrieb in der Mitte des nur wenige mk breiten Temperaturbereichs im Übergang zwischen dem supra- und dem normalleitendem Zustand : kleine Temperaturänderung DT große Widerstands-Änderung DR supraleitend Übergang Normal-leitend DR DT Temperatur T G. Drexlin VL14

28 Thermistoren: TES Auslese mit SQUIDs SQUID: Superconducting Quantum Interference Device Aufgabe: Messung von minimalen Änderungen der magnetischen Feldstärke (bis einige T!) Aufbau: dünner Niob-Ring mit 2 Josephson-Kontakten Übergang supraleitend normalleitend - supraleitend Phonon Vorspannung Spannungs- Signal Ausgang Magnetischer Fluss supraleitendes Material (Cooper-Paare) SQUID Isolator Supraleiter Josephson- Kontakt Erdung Output- Spule L Konstantstrom G. Drexlin VL14

29 Widerstand T [mk] Thermistoren: TES Auslese mit SQUIDs SQUID: Superconducting Quantum Interference Device Prinzip: magnetischer Fluss F durch SQUID-Ring ist gequantelt 0 = h/2e = Vs Betrieb: - Gleichstrom I > I krit Spannungsabfall - Änderung externes Feld Stromänderung im Ring, am SQUID beobachtet man DU (sinusförmig) T[mK] Zeit G. Drexlin VL14