Direkte Suche nach WIMPs. Michael Willers TU München
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- Damian Dieter
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1 Direkte Suche nach WIMPs Michael Willers TU München
2 Was sind WIMPs?! Weakly Interacting Massive Particles Hypothetische Teilchen zur Lösung des DM Problems Masse " GeV - TeV Eigenschaften guter Dunkler Materie: hat erhaltene Quantenzahl! stabil hat keine Ladung! wechselwirkt gravitativ und schwach theoretisch motiviert Michael Willers - Direkte Suche nach WIMPs 2
3 Die populärsten WIMP Kandidaten LSP neutralino (#) LKP KK Photon (B (1) ) Little Higgs Heavy Photon (B H ) Vollständige Liste: siehe [1] Gianfranco Bertone Particle dark matter: evidence, candidates and constraints Michael Willers - Direkte Suche nach WIMPs 3
4 Standard halo assumptions Sonne bewegt sich mit v = 230 km/s um das Galaktische Zentrum Isothermer WIMP Halo: Halo ruht im Mittel, keine Korotation um das Galaktische Zentrum WIMPs sind Maxwell-Boltzmann verteilt v 0 = 230 km/s v max = v esc = 650 km/s Dichte $ " 0.3 GeV / cm Michael Willers - Direkte Suche nach WIMPs 4
5 WIMP Signatur bei der direkten Suche Signatur: Kernrückstoß! 0! 0 Elastische Streuung nichtrelativistischer Halo WIMPs an den Target-Kernen im Detektor Rückstoßenergie des Kerns " kev Wirkungsquerschnitt ~ A 2! möglichst schwere Target-Kerne Jährliche Modulation des Signals aufgrund unterschiedlicher Relativgeschwindigkeiten zum Halo (benötigt große Detektormassen) Erwartete Zählrate: 1 10 events / kg / Jahr! Experimente zur direkten Suche nach Dunkler Materie sind sehr sensibel auf Untergrund durch n, % und e - (kann WIMP Events vortäuschen!) Michael Willers - Direkte Suche nach WIMPs 5
6 Untergrund Kosmische Strahlung und natürliche Radioaktivität Michael Willers - Direkte Suche nach WIMPs 6
7 Minimierung des Untergrunds Untergrundlabor! Abschirmung gegen kosmische Strahlung (allerdings erhöhte Radonkonzentration) Verwendung extrem reiner Materialen ( radiopurity ) Passive Abschirmung (Pb, Cu, PE) gegen natürliche Radioktivität ( %, n, e - ) Aktive Abschrimung (µ Veto) Luftfilter ( Radon ) Aktive Untergrundunterdrückung Michael Willers - Direkte Suche nach WIMPs 7
8 Detektionsprinzipien Kernrückstoß Ionisation (Ge, Si) Wärme (Phononen) (CaWO 4, Ge) Szintillation (NaI, LXe) Phononen: liefern eine gute Messung der Gesamtenergie Ionisation / Szintillation: Ausbeute hängt stark davon ab, an welchem Teilchen gestreut wird! Unterscheidung zwischen Elektron- / Kernrückstößen möglich Michael Willers - Direkte Suche nach WIMPs 8
9 Die Kombination mehrer Detektionsprinzipien ermöglicht eine aktive Unterdrückung des Untergrunds durch Elektron-Rückstöße ("+#) Xenon Michael Willers - Direkte Suche nach WIMPs 9
10 Beispiel: CRESST Cryogenic Rare Event Search with Superconducting Thermometers Target: 10kg CaWO 4 (geplant) Energieschwelle: & 15 kev Standort: LNGS Gran Sasso, Italien Abschrimung " 3500 m.w.e. Prinzip: heat-scintillation cryogenic detector Michael Willers - Direkte Suche nach WIMPs 10
11 Funktionsweise eines Cryodetektors (Phonondetektor) Stabilisierung des TES im Übergangsbereich zwischen Normal / (TES = Transition Edge Sensor) Michael Willers - Direkte Suche nach WIMPs 11
12 Aktive Untergrundunterdrückung in CRESST: Gleichzeitige Messung der deponierten Energie ( Wärme ) und des Szintillationslicht erlaubt eine Unterscheidung zwischen Kernrückstößen und den Elektronrückstößen durch den radioaktiven Untergrund ( %, ' ) Michael Willers - Direkte Suche nach WIMPs 12
13 nuclear recoil WIMP or Neutron Gamma or Electron electron recoil Michael Willers - Direkte Suche nach WIMPs 13
14 210 Po internal external 230 Th 232 Th 147 Sm 226 Ra 144 Nd 180 W 238 U 152 Gd Michael Willers - Direkte Suche nach WIMPs 14
15 Beispiel: XENON10 Liquid Noble Gas - LXe Target: 10kg Liquid Xenon (LXe) geplant (! 100kg! 1000kg ) Standort: LNGS (Gran Sasso) Energieschwelle: 16 kev Prinzip: dual phase liquid / gas Time pro jection chamber (TPC)! Nutzt Szintillatioin + Ionisation zur Unterdrückung des Untergrunds Michael Willers - Direkte Suche nach WIMPs 15
16 Untergrundunterdrückung in XENON LXe dient als Target, GXe zum Nachweis der Ionisation Ein Event im LXe produziert Szintillationslicht und freie Ladungsträger. Die Ladungsträger driften in einem E-Feld aus der flüssigen Phase in die Gasphase wo sie einen zweiten Lichtblitz erzeugen. Zur Trennung von Kern- und Elektronrückstößen verwendet man das Verhältnis S2/S Michael Willers - Direkte Suche nach WIMPs 16
17
18 Beispiel: EDELWEISS Target: Germanium ( 320g / Detektormodul ) Standort: Frejus Tunnel Prinzip: heat-ionization cryogenic detector cryogene Germanium Detektoren ("15mK) Gleichzeitige Messung von Wärme und Ionisation zur Unterdrückung des Untergrunds durch Elektronrückstöße Detektor: Thermometer (NTD) + Ladung Thermometer heat Electrodes ionization Michael Willers - Direkte Suche nach WIMPs 18
19 Unterschiedliches Wärme / Ionisations Verhältnis für Kern- und Elektronrückstöße Michael Willers - Direkte Suche nach WIMPs 19
20 Aktuelle Limits Michael Willers - Direkte Suche nach WIMPs 20
21 Ausblick: Zukünftige Experimente Mehr Detektormasse! EURECA: 1t cryogener Detektor ( Sensitivität pb ) (CRESST, EDELWEISS, usw.) SUPER CDMS, Liquid Noble Gas mit Targetmassen ~ 1t Michael Willers - Direkte Suche nach WIMPs 21
22 Anhang: Aktuelle Experimente Michael Willers - Direkte Suche nach WIMPs 22
23 Anhang: Liste verschiedener Untergrundlabore Michael Willers - Direkte Suche nach WIMPs 23
24 Literatur : [1] Gianfranco Bertone Particle dark matter: evidence, candidates and constraints [2] Stefano Scopel Dark Matter Candidates (TAUP 2007) [3] Dan Bauer - Dark Matter Detection with Cryogenic Detectors (TAUP 2007) [4] J.-C. Lanfranchi Direct Dark Matter Search with TES (CNRS, Paris 2007) [5] J.-C. Lanfranchi Dark Matter Search with CRESST and the EURECA (DPG, Würzburg 2007) [6] Elena Aprile First Results from the XENON10 Dark Matter Search at Gran Sasso [7] Laura Baudis WIMP Searches with Liquid Xenon: the XENON10 Experimen (HEP05) [8] Elena Aprile Dark Matter Direct Detection Experiments: a Review [9] Elena Aprile XENON Looking for Dark Matter WIMPs in Liquid Xenon [10] Gilles Gerbier EDELWEISS II ( Hunt for Dark Matter, Fermilab, 2007) [11] Richard Schnee Looking for WIMPs with the Cryogenic Dark Matter Search [12] Elena Aprile - Dark Matter Search Results from the XENON10 Experiment Michael Willers - Direkte Suche nach WIMPs 24
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