Seminar für Astro- und Teilchenphysik

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mit dem XENON-Experiment

Seminar für Astro- und Teilchenphysik

Michael Wagenpfeil

(11. Juli 2011)

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Inhalt:

• Motivation: Dunkle Materie

• Idee eines Flüssig-Xenon-Detektors

• Setup XENON100

• Ergebnisse

• Zusammenfassung

Inhaltsverzeichnis

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Warum Materie?

1 – Dunkle Materie

Dunkle Materie

Rotationskurve n von Galaxien

Gravitationslins en

Millenium Simulation Beobachtbare Materie reicht nicht aus

[www.astro-photography.net \ www.universetoday.com;\ www.forum.celestialmatters.org]

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Warum Dunkel?

1 – Dunkle Materie

• Dunkle Materie wechselwirkt nicht (messbar) mit elektromagnetsicher Strahlung

• Wie kann man sie denn dann nachweisen?

• Beobachtung durch Rückstoß von Atomkernen

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Natur der dunklen Materie?

1 – Dunkle Materie

Baryonisch

(gr. βαρύζ schwer)

Baryonisch

(gr. βαρύζ schwer)

Kalte

Wolken aus Gas oder

Staub MACHOs

(Massive astrophysical compact halo

objects)

Nicht- Baryonisch Nicht- Baryonisch

HDM

(Heiße, schnelle Teilchen)

CDM

(WIMPs – Weakly interacting Massive Particles)

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Erhitzte Gemüter

1 – Dunkle Materie

DAMA/LIBRA CDMS

Hat dieses Ergebnis nicht verifizieren können!

XENON

(erste Versuche)

CoGeNT

[arXiv:1106.0650]

[http://www.sciencenews.org/]

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WIMPs

• R-Paritätserhaltung verhindert Zerfall von SPs zu SM-Teilchen

• Stabiles LSP (Neutralino?) muss existieren

• Für WIMP χ kommen H, γ und Z in Frage

1 – Dunkle Materie

[http://www.scienceblogs.de]

~

^~

~

^~

(8)

WIMPs

1 – Dunkle Materie

[arXiv 1011.3532v1]

• E

_Nuc

≈ 10keV für m

WIMP,Nuc

≈ 50 GeV

• Rechnungen mit CMSSM führen zu σ/m Abschätzung

• Vgl σ

υ ,Nuc

≈ 10

^-39

cm²

• < 1 Event pro

100kg und Tag

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Vorhaben

2 – LXe-Detektor

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Vorhaben

2 – LXe-Detektor

[http://www.maphi.de/physik/atomphysik/]

Ursprung der Szintillation:

• Anregung von Atomen

• Abregung durch Photoemission

• Lichtpulse ~ O (ns)

[https://lp.uni-goettingen.de/get/text/4958]

Ionisation:

• Ausbeute unabhängig von Art der eintreffenden Strahlung

• Ionisationssignal Energie

∝

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Prinzip

2 – LXe-Detektor

Flüssiges Xenon als Detektor

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Prinzip

2 – LXe-Detektor

[http://xenon.physics.rice.edudetector.html]

Zweiphasige TPC

PMTs zur Lichtdetektion WIMP trifft Kern und erzeugt Szintillation und

Elektronen

Detektor registriert S1 Elektronendrift durch E- Elektronenvervielfachung Feld

und proportionale Szintillation

Detektor registriert S2

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Prinzip

2 – LXe-Detektor

[E. Aprile, T. Doke; Rev. Mod. Phys., Vol82, P.2053]

Auflösung in alle Richtungen

O (1mm) Detektor

registriert zwei Signale

Elektronendrift

~2mm/µs

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Aufbau

3 – XENON100

[xenon.astro.columbia.edu/XENON100_Experiment/]

XENON 100

161 kg LXe und Gxe;

davon sind ~100 kg Veto 30,5 cm Durchmesser

30,6 cm Höhe

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Aufbau

3 – XENON100

XENON 100

80 PMTs im unteren Array 98 PMTs im oberen Array

QE unten 33% (S1)

QE oben 23% (S2)

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Aufbau

3 – XENON100

XENON 100

4 Gitter-Elektroden Drift-Feld: 530 V/cm

(Geschwindigkeit gesättigt)

Hohes Extraktions-Feld

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Aufbau

3 – XENON100

XENON 100

T=182K

Vgl. T

_boil

(Xe)≈165,1K

Druck: 2,2 bar

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Passive Abschirmung

3 – XENON100

[http://www.stradadeiparchi.it/]

‚Äußerster‘ Schild

1400m Gestein Äußerer Schild

20 cm PE 5 cm Borsäure

15 cm Blei 5 cm French

Lead

5 cm OFHC-Cu

Innerer Schild

EVHC 6,7 cm OFHC-

Cu PTFE

[xenon.astro.columbia.edu/presentations/talk-19- tziaferi.pdf]

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Infos

3 – XENON100

[http://www1b.physik.rwth-aachen.de/xenon/][http://www.ilgransasso.com/territorio.html][http://www.lngs.infn.it/lngs_infn/]

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Herausforderungen?

3 – XENON100

Kühlung

unproblematisch Physik des

Detektors verstanden

Gute

Abschirmung Reinheit des Target-Materials?

ABE R

‚Friendly Fire‘

•

¹²⁴

Xe (0,1%; t

_H

>4,8∙10

¹⁶

a)

 ~10 Mio. Zerfälle pro Jahr

•

¹³⁶

Xe (8,9%, t

_H

>10

²²

a)  ~5000 Zerfälle • c(Kr) ~ 150 ppt (~10

¹⁷

Kerne)

85

Kr (Spuren; t

_H

=10,756 a)

• Radiopurity (So wenig Krypton und radioaktives Xenon wie

möglich)

• c(O

₂

) < 1ppb  Probleme bei Attachment und Extraktion

• Gefäßmaterial und Organische Moleküle

Herausforderungen!

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Kalibration

4 – Ergebnisse

[arXiv 1005.0380v3]

Diskriminierung:

Effizienz von >99%

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Limit

4 – Ergebnisse

[arXiv 1104.2549v2]

(23)

4 – Ergebnisse

Messungen

[arXiv 1005.0380v3]

Daten von 11,2 Tagen

Self- Shielding Fiduzialisa

- tion (40kg) Schwelle

bei 30 keV Rote

_nr

Stöße interessan

t

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4 – Ergebnisse

[arXiv 1005.0380v3]

Daten von 101 Tagen

Self- Shielding, Fiduzialisati

3 Events im on

Detektor

[arXiv 1104.2549v2]

Erwartung Untergrun d 1,8 ± 0,6

Poisson:

P

_k=3

=28%

Keine Be-

obachtung

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Aussicht

5 – Ausklang

Erhöhung der Masse auf m

_fiducial

=1000 kg

Gesamtmasse:

2,4 Tonnen

XENON 1t

• 10 cm Self-Shielding

• Noch bessere Abschildung

• Faktor 100 weniger Untergrund

• Sensitivität: σ ~ 3∙10

^-47

cm

² [http://resonaances.blogspot.com/2011/01/another-year.html]

• Geld besorgt

• Design abgeschlossen

• Timeline: 2011 - 2015

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Zusammenfassung

5 – Ausklang

• Dunkle Materie konnte bislang noch nicht beobachtet werden

• Detektordesign ist vielversprechend

• Modellierte WIMP m/σ Bereiche bald

großflächig abgedeckt

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Dankeschön

5 – Ausklang

(28)

Konkurrenz

6 – Anhang

[SCIENCE Vol332 vom 3.6.2011; 1144-1147][arXiv 1106.0650][SZ]

(29)

Phasendiagramm

6 – Anhang

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Szintillation Pulsform

6 – Anhang

(31)

Absorptionskoeffizienten

6 – Anhang

(32)

6 – Anhang

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mit dem XENON-Experiment

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(Nachtrag)

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