Das XENON-Experiment

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1 XENON Experiment Dunkle Materie - Neue Experimente zur Teilchen- und Astroteilchenphysik Betreuerin: Laura Baudis Das XENON-Experiment Dirk Lennarz RWTH Aachen 02. Juli 2007 Dunkle Materie - Neue Experimente zur Teilchen- und Astroteilchenphysik XENON Experiment -1-

2 Einleitung Aus CMB, Super Novae, Nukleosynthese und Strukturbildung 23% des Materiehaushalts des Universums bestehen aus einer uns unbekannten Materieform Dunkle Materie - Neue Experimente zur Teilchen- und Astroteilchenphysik XENON Experiment -2-

3 Einleitung Nicht baryonisch und keine Neutrinos Suche neue, unbekannte Teilchen (hier WIMPs) Suche Indirekt (WIMP Annihilierungsprodukte): a) Vernichtung in Gammas b) Vernichtung in Neutrinos c) Vernichtung in Antiproton / Positron Direkt: a) Beschleuniger b) Wechselwirkung kosmischer WIMPs Direkte Suche an Beschleunigern wichtig, allerdings müssen Teilchen auch in freier Wildbahn nachgewiesen werden Dunkle Materie - Neue Experimente zur Teilchen- und Astroteilchenphysik XENON Experiment -3-

4 Einleitung Was sind WIMPs? - Weakly Interacting Massive Particles - Natürliche Folge von SUSY-Modellen - Im MSSM ist das LSP ein WIMP Detektierungsidee - Elastische Kern-WIMP Streuung Detektionsmöglichkeiten WIMP-Halo um die Milchstraße: pro Sekunde fliegen durch jeden cm² der Erde ca WIMPs Inhalt Theorie der direkten Suche Detektionstechniken und Experimente Das XENON-Experiment Dunkle Materie - Neue Experimente zur Teilchen- und Astroteilchenphysik XENON Experiment -4-

5 1. Teil 1.Teil Theorie der direkten Suche Dunkle Materie - Neue Experimente zur Teilchen- und Astroteilchenphysik XENON Experiment -5-

6 Übersicht Herausforderung: verschiedene Experimente benutzen unterschiedliche Detektormaterialien und Detektionswege Wünschenswert: Darstellung von Ergebnissen sollen Vergleiche zwischen verschiedenen Material und Experimenten ermöglichen Hauptfrage dieses Abschnitts Wie ist die Ereignisrate? Wie sieht das Streuspektrum aus? Dunkle Materie - Neue Experimente zur Teilchen- und Astroteilchenphysik XENON Experiment -6-

7 Ereignisrate Qualitative Überlegung Totale Ereignisrate n=ρ DM /m DM Anzahldichte Wirkungsquerschnitt elastische Streuung durchschnittliche Geschwindigkeit M Det /m N Anzahl der Streukörper Üblicherweise Ereignisrate pro Masseneinheit: Wichtig für die Ereignisrate: lokale Dichte (ρ DM ) der Dunklen Materie Dunkle Materie - Neue Experimente zur Teilchen- und Astroteilchenphysik XENON Experiment -7-

8 Rotationskurve Beste Messmöglichkeit für lokale Dichte: Rotationskurve unserer Galaxie Herausforderung: - Messung in der Milchstraße - schwierig für große Abstände Für Sonne: v 0 (R 0 ) = 220 km/s, R 0 = 7,5-8,5 kpc (Abstand Sonne zum Galaktischen Zentrum) Aber Rotationskurve misst totales Gravitationspotential Benötigt Massenverteilung aller galaktischen Komponenten (Kern, Scheibe und Halo) Dunkle Materie - Neue Experimente zur Teilchen- und Astroteilchenphysik XENON Experiment -8-

9 Lokale Dichte Prinzipiell: ρ DM aus Steigung der Halo-Rotationskurve bestimmbar: Praxis: Modellierung aller galaktischen Komponenten Fehler auf ρ DM kommen von Unsicherheit 1. der Rotationskurve für große r 2. der Sonnenposition R 0 3. über die Beiträge der galaktischen Komponenten 4. über das Modell des Halos Bahcall et al. ρ 0 = 0,34 GeV/cm³ Caldwell/Ostriker ρ 0 = 0,23 GeV/cm³ Turner ρ 0 = 0,3-0,6 GeV/cm³ Bergstrom et al. ρ 0 = 0,2-0,8 GeV/cm³ Dunkle Materie - Neue Experimente zur Teilchen- und Astroteilchenphysik XENON Experiment -9-

10 Ereignisrate Qualitative Überlegung bisher: Dabei unberücksichtigt: Wirkungsquerschnitt hängt von der Energie ab Detektor haben eine Schwellenenergie E T WIMPs bewegen sich gemäß einer Geschwindigkeitsverteilung f(v) Erde bewegt sich durch den Halo: scheinbare Modifikation f(v) Neuer Ansatz: Betrachte dσ als Funktion des übertragenen Impulses q: mit der reduzierten Masse Die auf den Kern übertragene Energie ist: wobei Dunkle Materie - Neue Experimente zur Teilchen- und Astroteilchenphysik XENON Experiment -10-

11 Wirkungsquerschnitt Entscheidend für Ereignisrate: Wirkungsquerschnitt der elastischen Streuung WIMPs müssen eine kleine Kopplung an normale Materie (Quarks) haben, da sonst keine Annihilation und deswegen heute zu große Häufigkeit Wirkungsquerschnitt hängt fundamental von der Stärke der WIMP-Quark Kopplung ab, hier aber WIMP-Kern Streuung interessant Abhängigkeit von der Quark Verteilung in den Nukleonen und der Verteilung der Nukleonen im Kern Drei Schritte: 1. Berechne Wechselwirkung von WIMP mit Quarks und Gluonen 2. Übersetze diese in Wechselwirkung mit Nukleonen 3. Verwende Wellenfunktion des Kern um WIMP-Kern Wirkungsquerschnitt als Funktion des übertragenen Impulses zu erhalten Dunkle Materie - Neue Experimente zur Teilchen- und Astroteilchenphysik XENON Experiment -11-

12 Wirkungsquerschnitt Vereinfachung der Berechnung, da WIMPs nichtrelativistisch sind Nur zwei zu betrachtende Wechselwirkungen: - Spin abhängig (Kopplung an Kernspin) - Skalar (Kopplung an Kernmasse) Vollständige elastische Wirkungsquerschnitt ist die Summe beider Anteile Berechnung kompliziert (für Theoretiker) Hier qualitative für Kopplung an Kernspin Dunkle Materie - Neue Experimente zur Teilchen- und Astroteilchenphysik XENON Experiment -12-

13 Wirkungsquerschnitt Schritt 1 ( mikroskopisch ): Fundamentale Wechselwirkung (Parameter SUSY Modell) Durch großen Parameterraum entsteht sehr große Modellunsicherheit Schritt 2: Berechne Spin-Inhalt eines Nukleons Mathematisch: Matrixelement des Quark Axial-Vektor Stroms Unsicherheit entsteht durch Berechnungen für Nukleon Schritt 3: Berechne Erwartungswert des Spins für einen Kern mittels der Wellenfunktion des Kerns Wichtig: bei höheren Impulsüberträgen wird die Wechselwirkung mit dem Spin unterdrückt (daher Energieabhängigkeit des Wirkungsquerschnitts) Berücksichtigung über einen Formfaktor F( q ) mit F(0)=1 Formfaktor ist die Fouriertransformierte der Streuzentrendichte Dunkle Materie - Neue Experimente zur Teilchen- und Astroteilchenphysik XENON Experiment -13-

14 Wirkungsquerschnitt Idee: Teile Wirkungsquerschnitt auf in einen Teil mit Modellinformationen der Elementarteilchenphysik und einen Teil mit der Energieabhängigkeit (Formfaktor) Definition: G F ist die Fermikopplungskonstante F ist der vorhin eingeführte Formfaktor C Spin/Skalar sind dimensionslose Zahl, die die Modellinformationen enthalten Für Spin Wechselwirkung: Für skalare Wechselwirkung: Schreibweise: Dunkle Materie - Neue Experimente zur Teilchen- und Astroteilchenphysik XENON Experiment -14-

15 Ereignisrate Zurück zur Ereignisrate: mit Weitere Definition: v 0 : Geschwindigkeit der Sonne Formel für das Streuspektrum Vorteile dieser Darstellung: Energieabhängigkeit des Wirkungsquerschnitt und Abhängigkeiten von der WIMP-Geschwindigkeit separiert Einfachere Berechnungen und einfache Fehlerbetrachtung Integration ab der Schwellenenergie des Detektors E T liefert die Ereignisrate pro Detektormasse: Dunkle Materie - Neue Experimente zur Teilchen- und Astroteilchenphysik XENON Experiment -15-

16 Berechnung T(Q) Was können wir über die Geschwindigkeitsverteilung sagen? Annahme: Maxwell Boltzman Verteilung Annahme: isotrope Verteilung eingesetzt in Setze F(Q) zu 1 (kleine Impulsüberträge) Für E T =0 kommen wir zu unserer qualitativen Überlegung zurück, denn da (Maxwell Boltzman 1D) Dunkle Materie - Neue Experimente zur Teilchen- und Astroteilchenphysik XENON Experiment -16-

17 Berechnung T(Q) Realistischer: Berücksichtige Bewegung der Erde und der Sonne Konkret für Bewegung der Erde: Durch Bewegung der Sonne: Geschwindigkeit der Erde verändert sich jährlich gegenüber dem WIMP Bezugssystem mit Dunkle Materie - Neue Experimente zur Teilchen- und Astroteilchenphysik XENON Experiment -17-

18 Berechnung des T(Q) Setze in Verteilung ein und führe Variablentransformation durch: wobei numerisch berechnet werden kann Jährliche Modulation in der Rate Möglichkeit eine WIMP Signatur vom Untergrund zu unterscheiden Weitere Korrektur: Geschwindigkeiten nach oben durch galaktische Fluchtgeschwindigkeit begrenzt Dunkle Materie - Neue Experimente zur Teilchen- und Astroteilchenphysik XENON Experiment -18-

19 Streuspektrum Zurück zur Hauptfrage: Wie sieht das Streuspektrum aus? m DM =40 GeV Theoretische Erwartung für verschiedene WIMP und Kern Massen (in GeV) für einen willkürlichen Wirkungsquerschnitt von σ 0 =4x10-36 cm² und Standard Werten für die restlichen Größen Bisher noch keine signifikante Anzahl Signale Berechne daraus obere Grenze für Wirkungsquerschnitt Dunkle Materie - Neue Experimente zur Teilchen- und Astroteilchenphysik XENON Experiment -19-

20 2. Teil 2. Teil Detektionstechniken und Experimente Dunkle Materie - Neue Experimente zur Teilchen- und Astroteilchenphysik XENON Experiment -20-

21 Übersicht Was sind typische RückstoR ckstoßenergien? Beispiel eines WIMP mit - Geschwindigkeit von 270 km/s - Masse zwischen GeV - trifft einen Kern mit Masse zwischen GeV Energieübertrag von kev bei einer Rate zwischen 10-4 bis 1 Ereignissen pro Tag pro kg Wie schaut der Untergrund aus? kleine Energieübertrag macht Untergrundquellen wichtig, z.b.: - kosmische Strahlung (kev bis MeV) erzeugt >100 Ereignisse pro kg pro Tag Untergrundexperimente - natürliche Radioaktivität in den Wänden und im Detektor erzeugt Neutronen und Gammas, außerdem kosmische Myonen Abschirmung und sehr reine Detektormaterialien Sehr große experimentelle Herausforderung Dunkle Materie - Neue Experimente zur Teilchen- und Astroteilchenphysik XENON Experiment -21-

22 Detektionstechniken Detektionsidee Detektiere Rückstoßenergie als Licht (Szintillation), Wärme (Phononen) oder Ionisation, auch Mischung aus mehreren Techniken möglich (Hybridlösung) Dunkle Materie - Neue Experimente zur Teilchen- und Astroteilchenphysik XENON Experiment -22-

23 Untergrund WIMPs streuen am Kern, während Gammas aus Untergrund an der Elektronenhülle streuen Unterscheidung liefert wichtigen Filter für interessante Ereignisse Diskriminierung eines Ereignis kann statistisch geschehen, z.b. wenn Signallaufzeiten unterschiedlich oder für jedes Ereignis einzeln ( event-by-event ), siehe am Beispiel von XENON Dunkle Materie - Neue Experimente zur Teilchen- und Astroteilchenphysik XENON Experiment -23-

24 Experimente Stand: Dunkle Materie - Neue Experimente zur Teilchen- und Astroteilchenphysik XENON Experiment -24-

25 Aktueller Status DAMA CREST CREST Edelweiss ZEPLIN WARP CDMS Aktuelle Limits für Spin abhängige Wechselwirkung ohne XENON Besten Limits bisher: CDMS SUSY Theorie Modelle Ausschluss einiger SUSY Parameter Für die Theorie interessanter Bereich liegt weiter unter (bei ) Neue Experimente, z.b. XENON, nötig Dunkle Materie - Neue Experimente zur Teilchen- und Astroteilchenphysik XENON Experiment -25-

26 3. Teil 3. Teil Das XENON-Experiment Experiment Dunkle Materie - Neue Experimente zur Teilchen- und Astroteilchenphysik XENON Experiment -26-

27 Übersicht Ziele: -1 Tonne Xenon in 10 dual-phase time projection chambers (XeTPC) -aktive Abschirmung durch ein flüssiges Xenon Veto -Simultane Bestimmung von Ionisation und Szintillation für event-by-event Diskriminierung Vorteil: Detektor ist modular konzipiert Phase 1 (XENON10, läuft): 15 kg Detektor um Technik zu testen und den optimalen Aufbau für das erste 100 kg Modul zu entwickeln Phase 2 (XENON100, ): kg Modul, geplante Datennahme Mitte 2008 Phase 3 (XENON1T, ?): 10 x 100 kg Module Dunkle Materie - Neue Experimente zur Teilchen- und Astroteilchenphysik XENON Experiment -27-

28 Warum Xenon? Xenon ist ein attraktives Material, weil 1. Großes A (~131) für großen skalaren Wirkungsquerschnitt 2. Zwei Isotope ( 129 Xe, 131 Xe) mit Spin (~50%), also auch spinabhängige Wechselwirkung untersuchbar 3. Gute Diskriminierung von Kern gegenüber Elektron Streuungen möglich 4. 3D Positionsrekonstruktion möglich Streuspektrum für Xenon kleine Ereignisraten für große Energienüberträge Verwerfe Ereignisse mit zu hohen Energien Dunkle Materie - Neue Experimente zur Teilchen- und Astroteilchenphysik XENON Experiment -28-

29 Gran Sasso Gran Sasso ( großer Fels ): Gebirgsmassiv (~3000m) in Süditalien (Nähe von Pescara) Gran-Sasso-Tunnel (längste zweiröhrige Autobahntunnel Europas) In Nebenanlage des Tunnels: Laboratori nazionali del Gran Sasso Dunkle Materie - Neue Experimente zur Teilchen- und Astroteilchenphysik XENON Experiment -29-

30 Gran Sasso Abschirmung gegen Neutronen und Gammas: 1,6t Polyethylen und 34t Blei Dunkle Materie - Neue Experimente zur Teilchen- und Astroteilchenphysik XENON Experiment -30-

31 Detektor Der XENON10 Detektor besteht aus: 22 kg flüssigem XENON, wovon ca. 15 kg aktiv genutzt werden 89 Photomultipliern (PMT) mit Quanteneffizienz >20% Einem Array aus 48 PMTs unten im flüssigen Xe und 41 PMTs oben im kalten Gas Dunkle Materie - Neue Experimente zur Teilchen- und Astroteilchenphysik XENON Experiment -31-

32 Detektor Dunkle Materie - Neue Experimente zur Teilchen- und Astroteilchenphysik XENON Experiment -32-

33 XeTPC Rekonstruktion der x-y-position aus PTM Signal des oberen Arrays: σ x-y ~1mm Rekonstruktion der z-position aus Driftzeit der Elektronen: σ z ~0,3mm 3D-Rekonstruktion möglich Diskriminierung des Untergrund möglich, da Untergrundereignisse am Rand stattfinden Nur Ereignisse innerhalb von 80mm Dunkle Materie - Neue Experimente zur Teilchen- und Astroteilchenphysik XENON Experiment -33-

34 Diskriminierung Dunkle Materie - Neue Experimente zur Teilchen- und Astroteilchenphysik XENON Experiment -34-

35 Ereignis Wie schaut ein Ereignis aus? Detektor wurde getestet mit 137 Cs Detektor wurde getestet mit AmBe Dunkle Materie - Neue Experimente zur Teilchen- und Astroteilchenphysik XENON Experiment -35-

36 Kalibration Kalibrationsdaten Bisher: Energiefenster durch Detektorschwelle und Abschneiden bei hohen Energien (4,5 kev bis 26,9 kev) Für Diskriminierung setze auch horizontale Grenze Dunkle Materie - Neue Experimente zur Teilchen- und Astroteilchenphysik XENON Experiment -36-

37 Daten Datennahme an insgesamt 58,6 Tage zwischen Oktober 2006 und Februar 2007 Horizontale Grenze: Akzeptanz von 50% Kernstreuungen Im interessanten Bereich: 10 Ereignisse Statistische Erwartung: Ereignisse 3,4,5,7,9 sind statistisch mit Elektronband verträglich Ereignis 1 wurde als Ereignis aufgrund von Rauschen identifiziert Ereignisse 2,6,8,10 stammen alle (3D Rekonstruktion!) aus dem unteren Teil des Detektors Randeffekte? Dunkle Materie - Neue Experimente zur Teilchen- und Astroteilchenphysik XENON Experiment -37-

38 XENON Ergebnisse XENON100 XENON1T XENON10 Veröffentlichung: Annahme: alle 10 Ereignisse sind von WIMPs Dennoch: klare Verbesserung des CDMS Limits SUSY Theorie Modelle Noch kein signifikantes Signal Zukunft: XENON kann großen Teil des interessanten Theorie Bereichs untersuchen Dunkle Materie - Neue Experimente zur Teilchen- und Astroteilchenphysik XENON Experiment -38-

39 Zusammenfassung Direkte Suche nach Dunkler Materie: verbindet viele Teilbereiche der Physik (Elementarteilchen, Festkörper, Astronomie, ) ist sehr wichtig, um das Geheimnis der Dunklen Materie abschließend zu klären ist eine große experimentelle Herausforderung und ist aktuell ein sehr spannendes Forschungsgebiet! XENON wird in den nächsten Jahren Maßstäbe setzen und einen Großen Parameterraum der SUSY Modelle untersuchen! O brave new world, That has such people [particles] in't! Dunkle Materie - Neue Experimente zur Teilchen- und Astroteilchenphysik XENON Experiment -39-