Das Edelweiss Experiment

Transkript

1 Das Edelweiss Experiment Mit dem Edelweiss Experiment im Mondane Untergrund Labor versucht man auf direkte Weise WIMP Teilchen nachzuweisen. Das Experiment im Frejus Tunnel, welcher Italien mit Frankreich verbindet, liegt 1700m tief unter den Alpen und wird somit relativ gut von der kosmischen Höhenstrahlung abgeschirmt. Denn die Hauptsache für das erfolgreiche Durchführen des Experiments ist es, den Untergrund aus Neutronen und anderenteilchen nahezu vollständig zu unterdrücken. Die erste Phase, bekannt als Edelweiss 1, lief von 2000 bis Anfang In den ersten beiden Jahren wurde das Experiment aufgebautund getestet. Die erste richtige Messung wurde dann 2002 mit einemdetektor durchgeführt. Geplant waren insgesamt 3 Detektoren. Bevor ich auf den Detektor genauer eingehe, betrachten wir uns erst die Nachweismethode, mit der Edelweiss die WIMP s nachzuweisen versucht. Ein WIMP unterliegt nur der schwachen Kraft. Aus diesem Grund sind die WIMPS auch nicht homogen im Universum verteilt. Vielmehr geht man aufgrund der Gravitationskräfte der einzelnen Galaxien vonwimp-wolken aus. Mit der Eigenbewegung unserer Galaxie um das galaktische Zentrum bewegen wir uns auf der Erde gegen die WIMP s. Folglich dürften WIMP s auch durch unsere Detektoren fliegen. Trifft ein WIMP auf einen Atomkern in unserem Detektor, so wird es elastisch am Kern gestreut. Diese Wechselwirkung ist allerdings bedingt durch die sehr kleine Wechselwirkungsrate der WIMP s, der relativen Geschwindigkeit und der Dichte der WIMP s, extrem klein. Man rechnet ungefähr mit einem WIMP pro Tag und kg an Detektormaterial. In der Praxis dürfte dies aber eher noch seltener passieren. Mit der elastischen Streuung am Kern bleiben uns nun 3 Möglichkeiten zur Messung, da der Kern aufgrund der Streuung einen Rückstoß bekommt. Die deponierte Energie können wir zum Einen über die Temperatur messen, oder zum Anderen über die lokale Ionisation. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Messung des ausgesandten Lichtes über Szintillatoren. Im Edelweiss Experiment nutzt man die ersten beiden Messmethoden, also Ionisation und Temperatur. Um überhaupt irgendetwas messen zu können, muss der Detektor hierbei sehr tief gekühlt werden, da die deponierte Energie in der Größenordnung 10keV liegt.

2 Die Betriebstemperatur liegt bei ungefähr 15mK. Betrachten wir uns nun die Messmethoden etwas genauer: 1) Temperatur: Durch die deponierte Energie erhöhen Phononen die Temperatur im Kristall minimal. Diese Temperaturerhöhung wird durcheinen 4x4 großen NTD Wärmesensor, der eine Temperaturerhöhung über eine Widerstandserhöhung misst, gemessen. 2) Ionisation: Über eine dünne Aluminiumelektrode greift man die Ladungen, welche durch die Ionisation entstehen, am Kristall ab. Somit hat man zwei Signale, mit denen man ein WIMP Ereignis nachweisen kann. Jede Messmethode unterliegt gewissen Bedingungen. Bei der Temperatur kann man 100% der deponierten Energie messen, allerdings ist die Messzeit recht groß. Eine schnellere Messzeit hat man bei der Ionisation. Diese ist wesentlich schneller und eignet sich daher auch als Trigger für das Experiment. Aber die Energie liegt hier nur bei 10%. Bei der Szintillationsmethode wird noch weniger Energie gemessen, jedoch läuft diese am schnellsten. Der Detektor ist somit folgendermaßen aufgebaut. Im Innern befindet sich der hochreine Germaniumkristall. Darüber befindet sich eine amorphe Schicht aus Si oder Ge. Diese sorgt dafür, dass die Ladung von Oberflächenereignissen besser gesammelt wird und es nicht zu oft zu so genannten Misszählungen kommt. Bei einer Misszählung wird ein WIMP ähnlichen Kernrückstoß an der Oberfläche erzeugt. Eine geringere Ladung führt somit zu einer geringeren Ionisation. Dadurch rutscht das Ereignis später in der Auswertung in den Bereich der Kernrückstöße von WIMP s. Über der amorphen Schicht wird die Elektrode angebracht. Zum Schluss wird noch der kleine NTD Temperatursensor aufgeklebt. Insgesamt wiegt der Detektor ungefähr 320g und hat einen Durchmesservon 8cm. Im Vergleich zu vorherigen Experimenten ist die Detektormasse im Vergleich zur erreichbaren Auflösung sehr gering. Ein anderes Experiment hat mit einer Detektormasse von ca. 100kg gerade die Sensitivität von Edelweiss 1 im Anfangszustand erreicht. Somit waren damals die Hoffnungen in Edelweiss 1 schon sehr groß. Das Problem bei Edelweiss, wie auch bei weiteren Experimenten, ist hauptsächlich der Untergrund aus Neutronen, Myonen, Photonen und Elektronen. Daher muss der Detektor durch mehrere Schildsysteme geschützt werden. Die Myonen werden zu einem sehr großen Teil von der Masse des Berges unterdrückt. Man hat im Labor nur noch eine Myonenrate von ~4 pro m² und Tag. Dies wirkt sich aber, je besser man die Experimente macht, umso mehr aus. Die Myonen erzeugen im Gestein, in der Abschirmung, oder im Detektor selbst, schnelle Neutronen (~10MeV). Diese ähneln einem WIMP schon sehr. Unterdrücken kann man dies nur durch eine aktive Untersuchung des Myonenhintergrundes. Für Edelweiss 1 hat man hierfür nur eine große Blei/Kupfer/Polyethylen Abschirmung genutzt. Das Blei für die Abschirmung muss außerdem historisches Blei sein. Dieses ist im Vergleich zu Blei von der Oberfläche nicht durch kosmische Strahlung aktiviert. Bzw. sind die instabilen Isotope durch die lange Lagerzeit unter Wasser zerfallen. Um die Neutronen aus den natürlichen Zerfällen zu unterdrücken benutzt man eine 30cm Polyethylenschicht. Diese moderiert deren Energie in kleinere Bereiche. In der

3 Auswertung sind diese räumlich von dem Bereich der WIMP Rückstöße getrennt. Ähnlich passiert dies mit den Elektronen und Photonen. Diese erzeugen eine größere Ionisation im Kristall. Mit einer geschickten Auftragung fallen diese ebenfalls leicht aus dem zu untersuchenden Bereich heraus. Ein weiteres Problem bei Messung ist die untere Grenze der Rückstoßenergie. Diese wird durch die Messmethode begrenzt. Da man einen Messkanal zum Triggern der Ereignisse verwendet kommt man hier unterschiedlich tief. Für den Ionisationskanal liegt die Rückstoßenergie minimal bei kev. Wenn man den langsameren Phononkanal benutzt, kommt man bis auf 15keV. Allerdings wird hier dann dieanzahl der nicht identifizierten Ereignisse größer. Mit einer Auftragung des Quotienten aus Ionisationsenergie und Rückstoßrate über der Rückstoßenergie erhält man ein recht einfaches Diagramm. Im oberen Bereich liegen sowohl der Untergrund aus Photonen und Elektronen, als auch der Untergrund aus moderierten Neutronen und identifizierte Oberflächenereignisse. Die Zerfälle im Detektormaterial selbst erkennt man an zwei exponentiell abfallenden Kurven. Die schnellen Neutronen aus dem Myonhintergrund und die Scheinneutronen aus den Oberflächenereignissen, die nicht direkt als Hintergrund identifiziert werden, liegen genau in dem Bereich in dem auch die WIMP Ereignisse erwartet werden. Im Endergebnis von Edelweiss 1 hat man mit dem Ionisationstrigger lediglich 2 Ereignisse nicht als Hintergrund identifiziert. Mit dem Phononkanal als Trigger bleiben mehr Ereignisse übrig, aber auch mehr Unergrund. Aus diesen Ergebnissen kann man dann eine obere Grenze für den Wirkungsquerschnitt der WIMP s ausrechnen. Die Messwerte aus Edelweiss1 schließen jedoch die bisherigen Daten aus dem DAMA Experiment, welches den WIMP Nachweis erbracht haben könnte, zu 98% aus. Außerdem wäre ein WIMP nach den bisherigen Ergebnissen eher zu leicht. Mit Edelweiss 2 soll dies überprüft werden. Für Edelweiss 2 wurden noch größereanstrengungen unternommen, um den Untergrund zu >99,9% auszuschalten. Dazu wurde um den Detektor ein aktives Myonenveto aufgebaut. Die einzelnen Panels sorgen so für einen Identifizierung der Myonen und zeigen deren Verlauf durch den Detektor. Außerdem wurde die Blei und Kupferabschirmung vergrößert. Die Polyethylenschicht wurde auf 50cm erhöht. Um weitere Fehler auszuschließen hat man einen Reinraum um den Detektor

4 eingerichtet und die Luft von Radonbefreit. Diese Kontamination durch instabile Isotope innerhalb der Abschirmung ist auch ein Problem im Detektormaterial selbst. Um noch größere Sensitivität zu erreichen hat man auch noch den Kryostat umgebaut und vergrößert. Nun hat der Kryostat, der jetzt bis auf 8-10mK herunter gekühlt werden kann, Platz für bis zu 120 Detektoren (100Liter). In einer ersten Phase bis 2008 sind 21 NTD-Ge-Detektoren und 7 400g NbSi-Ge-Detektoren geplant. Diese neuen Detektoren haben oben und unten ein Dünnschichtthermometer. Dadurch kann man über das Auslesen der Wärmesignale beider Thermometer den Ort eines Ereignisses festlegen und somit Oberflächenereignisse besser erkennen und unterdrücken. Die Elektrodenkonfiguration wurde hier ebenfalls verändert. Man legt nun unterschiedliche Spannungen nebeneinander um auch im Ionisationssignal Oberflächenereignisse besser ausmachen zu können. Der Untergrund ist mit diesem Detektortyp 10fach kleiner. Jedoch sinkt auch die Effektivität um 50%. Somit muss man beide Detektoren gemeinsam einsetzen um ein vernünftiges Ergebnis zu bekommen. Neben diesen neuen Detektoren hat man auch die Anordnung untereinander verändert. Im neuen Kryostat sind 12 Detektoren pro Ebene vorgesehen. Bei 10 Ebenen kann man nun Neutronen, die in mehreren Ebenen ein Ereignis auslösen besser identifizieren. Mit diesen Neuerungen hat mangeplant den Wirkungsquerschnitt bis Anfang 2008 auf 10-7 pbarn ohne WIMP-Ereignis zu verbessern. Für die nächsten Jahre will man eine Steigerung auf 10-8 erreichen. Dazu hat man weitere Verbesserungen an den Detektoren geplant. Die neuesten Messungen mit Edelweiss 2 sehen gut aus und zeigen keinerlei Anzeichen für ein WIMP Ereignis in dessen Rückstoßband.

5 Quellen Homepage Edelweiss ( Vorlesung Teilchenphysik WS07/08 (www-ekp.physik.uni-karlsruhe.de/~wagner/tp/wi07/index.html) Vorlesung Astroteilchenphysik WS07/08 ( Weltderphysik.de Homepage Dr. Eitel (