Direkter Nachweis dunkler Materie Julien Wulf | 24.06.11

HAUPTSEMINAR"DERURKNALL UND SEINETEILCHEN"

Direkter Nachweis dunkler Materie

Julien Wulf | 24.06.11

KIT – Universität des Landes Baden-Württemberg und www.kit.edu

Inhalt

1 Wiederholung

2 Direkte Nachweismethode

3 Theoretische Überlegungen

1 Reaktionsrate

2 Einflussfaktoren

4 Experimente

1 DAMA/LIBRA

2 EDELWEISS-II

3 XENON-100

5 Zusammenfassung

Wiederholung

Es gibt einige Evidenzen auf dunkle Materie:

Rotationsgeschwindigkeit von Spiralgalaxien Gravitationslinseneffekt

Kosmische Hintergrundstrahlung Strukturbildung

Wiederholung

Ein favorisierter Kandidat für das dunkle Materie Teilchen folgt aus der Supersymmetrie. Dies ist das LSP das sogenannte Neutralino.

Dieses Teilchen fällt unter den BegriffWIMP(Weakly

InteractingMassiveParticles) und erfüllt einige Bedingungen für die dunkle Materie:

Elektrisch neutral

Hauptsächlich nur gravitativ Wechselwirkend Eine Masse vonm_χ >17GeV

Stabil

Die lokale Dichte beträgtρ_χ=0.3^GeV_cm3

Direkte Nachweismethode

Der direkter Nachweis der dunkle Materie erfolgt über die elastische WIMP-Kernstreuung. Dabei wird die Energie des Rückstoßkern beobachtet.

Wichtig nur elastische WIMP-Kernstreuung.

Keine inelastische WIMP Streuung, da die

kinetische Energie zu gering ist.

Es gibt dabei 3 verschiedene Arte um WIMPs im Detektor anhand der Kernstreuung nachzuweisen:

Die Rückstoßenergie wird in Form von Wärmen, die durch Phononen verursacht wird, gemessen.

Der Rückstoßkerns schlägt bei seine Nachbaratome Elektronen aus. Es entstehen somit Elektronen Lochpaare.

Die vom Rückstoßkern erzeugte Ionen fangen sich nach kurzer Zeit wieder ein Elektron ein und fallen dann wieder unter Aussendung eines Photons in den Grundzustand zurück.(Szintillation)

Theoretische Überlegungen

Die Rückstoßenergie ergibt sich analog zur elastischen Neutronen-Kernstreuung durch:

E_R = M_kM_χ²

(M_χ+M_k)²v_χ²(1−cosθ) Abschätzung für maximale übertragbare Energie mit:

M_χ∼100^GeV_c2 ,M_k ∼70^GeV_c2 (Ge) undv_χ∼10⁻³c

⇒ E_k =110keV

Abschätzen der erzeugten Elektronen: ^110keV_6eV ≈18000

Die klassische Berechnung der Reaktionsrate, also die

Gesamtzahl der Reaktionen pro Zeiteinheit, ist gegeben durch:

R=φ_χ·N_T ·σ_χ

Dabei istφ_χ der Fluss und ist gleich dem Produkt aus Teilchendichte und Teilchengeschwindigkeit:φ_χ =n_χ·v_χ N_T ist die Gesamtzahl der Targetteilchen:N_T =n_T ·V σχist der Wirkungsquerschnitt der aus der SUSY-Theorie vorhergesagt werden kann.

N_T =8.3·10²⁴(1kg),φχ =1.15·10⁵_cm¹_2·s &σχ=1·10⁻⁴²cm²

⇒R=0.004· 1 d

Jährliche Modulation der Streurate

Durch Überlagerung von Geschwindigkeits- vektorv_S der Sonne undv_E Erde bewegt sich der Erde

unterschiedlich schnell durch die WIMPs.

Modulation der Streuraten

Dieser Effekt ist ca

∼2−7%groß

Einflussfaktoren

Reaktionsrate der WIMP-Kernstreuung sehr gering

238U,²³²Th,⁴⁰K Zerfälle erzeugen Gammas & Neutronen Myonen aus der Kosmischen Strahlung erzeugen

Neutronen

Neutronen ähneln der WIMP Teilchen nurσn>> σχ

Problem zur Unterscheidung vom Hintergrund

Abschirmung

Experiment im Untergrund Luftfilterung Aktive

Abschirmung durch Myonendetektor Passive

Abschirmung durch Pb,Cu, Pe

Verwendung reinster Materialien

⇒Römer

Experimente zum Nachweis von DM

Experimente zum Nachweis von DM

DAMA/LIBRA

Gran Sasso („großer Fels“) ist ein Gebirgsmassiv (∼3000m) in Süditalien.

DAMA/LIBRA

(DArkMAtter/Large SodiumIodideBulk forRare processes).

Detektionsprinzip: NaJ Szintillation

Stoßmaterial: 250 kg NaJ(Tl) aus 25 Kristallen (5x5 Matrix) Auslese: Detektion des Lichts über 2 PMT an jedem Kristall Untergundabschirmung: 15 cm Kupfer, 10 cm Blei, Paraffin und Polyethylen, Beton undN₂-Atmosphäre

Ziel: Messung der jährliche Modulierten Streurate

Messzeit

6-jährige Datennahme von September 2003 September 2009

Resultate

Messungen weisen eine jährliche Modulation der Streurate auf

Modulation wurde nur im 2-6keV Bereich gefunden Die statistische Signifikanz ist sehr hoch

Ist der Direkte Nachweis schon erfolgt???

Kritik

Großer Streit um die DAMA/LIBRA-Ergebnisse, da es einige Kritikpunkte gibt:

Modulation könnte natürliche Einfluss des Temperatur Unterschieds zwischen Sommer und Winter sein Untergrundstrahlung kann nicht ausgeschlossen werden, da nur 1 Detektionsprinzip verwendet wird.

Kein anderes Experiment kann dieses Phänomen beobachten

⇒Andere Experimente zum überprüfen benötigt

EDELWEISS-II

EDELWEISS-II

(Experience deDEtecterLesWIMPsEnSiteSouterrain) Detektionsprinzip:

Gleichzeitig Messung von Ionisation und Wärme (Kryogen-Bolometer)

Stoßmaterial/Absorber benötigt eine niedrige spezifische

Wärmekapazität.

∆T = _V·c^∆E

V

Bolometer wird immK Bereich betrieben um spezifische WärmeC_v zu minimieren.Cv ∼T³ Wieso 2 Signale messen?

Sehr gute Diskriminierung zwischen WIMPs und

Gammastrahlung durch das Signalverhältnis von:y = _E^Eion

phonon

Ionisationsdichte vom Rückstoßkern ist sehr hoch.

E_ion = ¹₃E_phonon

Gammastrahlung besitzt eine niedrige Ionisationsdichte.

E_ion =E_phonon

Der Versuchsaufbau

Mehrschichtige Abschirmung (Myonendetektor, Blei, Kupfer )

Mehrere Detektoren werden in einem Turm angeordnet

Messung

Durch Kalibrierung mit einer Neutronenquelle (Co⁶⁰) und einer Gammaquelle (Ba¹³³) wurde der Bereich für die WIMPs eingeschränkt

Messzeit:

2009 - 2010 Suche ab 20keV 10 Ge-Detektoren 4 WIMP

Kandidaten sehr gute Gamma Unterdrückung

Ergebnisse

Das EDELWEISS-II-Experiment gibt eine neue Ausschlusskurve für die WIMPS an.

EDELWEISS-II-Experiment kann den von DAMA/LIBRA gefundenen Bereich komplett ausschließen

Ob die 4 beobachteten Ereignisse wirklich zu einem WIMP gehören werden zurzeit noch untersucht.

Zurzeit ist die Annahme das dies ein Rauschen ist

⇒Noch höhere Sensitivität benötigt

XENON-100

Wieso Xenon?

Xenon ist relativ preiswert∼<800/$/kg

Die Große Massenzahl (A∼131) liefert eine hohe Streuraten bei niedrigen Kernrückstößen.

Wegen der hohen Dichte von Xenon besitzt es eine gute Selbstabschirmung.

Man bekommt Xenon mit einem sehr hohen Reinheitsgrad Ist ein guter Szintillator und Ionisator im Gegensatz zu anderen edlen Flüssigkeiten.

Gleichzeitiges messen von Ionisation und Licht möglich.

Detektionsprinzip

Messung von Ionisation und Licht

Beide Signale werden mittels PMTs gemessen

Diskriminierung anhand des Verhältnis von ^S_S¹

2

Versuchsaufbau

Im Detektor befindet sich 165kg flüssiges Xenon

∼100kg werden für die Analyse benutzt Der Detektor besitzt 242 PMTs

Zur Abschirmung wird der Detektor in einen Schrank gestellt.

Blei, Kupfer, Polyethylen und Beton werden zur Abschirmung verwendet

Messung

Messzeit: 100 Tage

Vor Messbeginn wurde eine Kalibrierung durchgeführt 3 Kandidaten für WIMPs gefunden

Diese Kandidaten könnten auch vom Hintergrund herrühren.

Ergebnisse

Das im Betrieb befindliche Xenon-100-Experiment besitzt die höchste Sensitivität auf der Welt.

DAMA/LIBRA kann weitestgehend

ausgeschlossen werden Xenon-100 drückt die

Ausschlusskurve weiter nach unten

⇒Irgendwann wird ein SUSY-Teilchen ausgeschlossen.

Aktuelle Meldung vom CRESST-Experiment in der SZ

„57 Ereignisse, die auf ein neuartiges, bislang unbekanntes Teilchen hinweisen, haben die Cresst-Physiker nun gefunden.“

CREEST-Experiment ist ähnlich zum EDELWEISS-II-Experiment

XENON-100 kann den Bereich ausschließen Untersuchung des Versuchsaufbau

Eine Veröffentlichung ist in Vorbereitung

Fazit