Experimente zum Nachweis der dunklen Materie

Präsentation zum Thema: "Experimente zum Nachweis der dunklen Materie"—  Präsentation transkript:

1 Experimente zum Nachweis der dunklen Materie
Scheinseminar Astro- und Teilchenphysik WS 2003/04 Vortragender: Markus Stöhr

2 Was könnte DM sein? Gas MACHOs Axionen SUSY WIMPs (z.b. Neutralinos)
Baryonische DM Axionen SUSY WIMPs (z.b. Neutralinos) Neutrinos nicht-Baryonische DM Axionen 10e-5 < m < 10e-3 Pseudoscalare bosonen loesen die starke cp verletzung

3 WIMPs Kandidaten: neutrale Superpartner der gewöhnlichen Materie im SUSY-Modell Hauptaugenmerk liegt auf dem leichtesten Neutralino das in der einfachst möglichen Realisation des SUSY gegeben ist. (LSP) Neutralino als Linearkombination aus Wino, Bino und 2 Higgsinos

4 Parameterscan des MSSM
Minimalanforderungen an DM-Teilchen Masse ungleich null Richtige Restmenge im Universum Ladung Null Schwache Wechselwirkung mit (gewöhnlicher)Materie

5 Einschränkungen für WIMPs
Kosmologie Dichte: 0.1 < Ωdm h2 < 0.3 Beschleunigerexperimente (LEP) Masse der Wimps: mχ > 51 GeV tan β > 2.2 Tan beta = v1 / v2 verhaeltnis der higgsanteile in der linearkombination der wimps

6 Wie Detektieren? Direkte Suche Indirekte Suche
Sehr geringer Wirkungsquerschitt Indirekte Suche (bei Experimenten die nach kosmischer Strahlung suchen) Direkte: (Messung von elastischen Stöße der WIMPs mit Kernen, Rate hängt von WIMP-Typ und Art der WW ab)

7 Direkte Suche WW-Rate hängt von Art des Targets und der beobachteten WW ab Energieübertrag von keV, nur ein Bruchteil davon wird sichtbar (quenching) Nur sehr wenige Ereignisse werden beobachtet

8 Probleme bei direkter Suche
Wie groß ist die erwartete Zählrate? Untergrundstrahlung großes Problem (Diskrimination)  Vorher Theoretische Überlegungen zu Wirkungsquerschnitt und anderen Parametern (Wie unterscheidet man Untergrund- von WIMP-Signalen bzw. Wie schaltet man den Untergrund aus?)

9 Wirkungsquerschnitt Differentieller Wirkungsquerschnitt
(Punkt-) Wirkungsquerschnitt für Protonen und Neutronen: SI prop zu A^2  schwere kerne interessant SD nicht von A abhaengig Symbole: GF: Fermi-Kopplungskonstante mN: Kernmasse v: WIMP geschwindigkeit im Laborsystem ER: Rückstoßenergie Z: Kernladungszahl A: Nukleonenzahl gp,n: effektive WIMP-nucleon Kopplungskonstante für SI WW 2 J(J+1) Spinfaktor F2SI(ER)/ F2SD(ER): Formfaktoren

10 Zählrate Theoretische differentielle Zählrate: Ausschlusskriterium:
N zahl der target nuclei M masse des targetkerns m masse des wimps

11 Ausschlußplot

12 Identifikation Maximale Untergrundreduktion
Suche nach Asymmetrien im Wimpsignal Korrelation der Rückstossrichtung mit v(Erde) Tägliche Modulation jährliche Modulation Rotation um die Polachse, Abschirmung des Flußes durch Erde, gilt nur für grosse Wirkungsquerschnitte jährliche Modulation, großes Intervall an Wirkungsquerschnitten möglich

13 Jährliche Modulation erwartete Modulation liegt bei 7% unterschied zwischen Maximum und Minimum gute Abschirmung notwendig signatur: Cosinus-artiger Verlauf T = 1 Jahr, Phase mit Peak um 2. Juni Modulation nur in niedrigen Energiebereichen Keine Mehrfachstreuung Amplitudenmodulation nicht größer als 7%

14 Wo/Wie den Versuch aufbauen?
Ort tief unter der Erde (minimieren der kosm. Strahlung) Abschirmung gegen EM-Strahlung und Neutronenuntergrund Materialien des Aufbaus sollen möglichst geringen Gehalt an radioaktiven Isotopen enhalten. Hauptaugenmerk liegt auf Reduktion von U238, Th232 und K40 Entferne Radon sehr effektiv „Saubere“ arbeitsweise Messapparatur muss die erforderliche Genauigkeit und Konstanz erreichen

15 Untergrund

16 Detektortypen Germanium NaI Szintillatoren Xe Szintillatoren
Time projection chambers Metastabile Teilchen detektoren (superheated drop detectors, superconducting superheated grains) Glimmer Bolometer Germanium halbleiterdetektor, elektron loch paare

17 Untergrundlaboratorien

18 DAMA (particle DArk MAtter searches with highly radiopure scintillators at Gran Sasso)
verschiedene Versuche, für die speziell schwach radioaktive Szintillatoren entwickelt wurden NaI, flüssiges Xe, R&D, LIBRA Nachweis der jährlichen Modulation durch DAMA/NaI? Ergebnisse aber im Widerspruch zu anderen Experimenten In Gran Sasso aufgebaut

19 DAMA/NaI 9 x 9,7 kg hochreine NaI-Szintillatoren
die bloßen Kristalle sind in radioarmen Cu eingehüllt, an 2 Endseiten sind Lichtleiter angebracht, die als optisches Fenster dienen Einkopplung in Photomultiplyer, die im Koinzidenzmodus arbeiten Cu-Box ist wiederum in einem Schild plaziert. Schichten: Cu/Pb/Cd-Folie/Polyethylene und Paraffin Weiterer Passiver Schild ist eine Betonmauer (Beton aus dem Gestein des Berges) In der Schildbox ist eine reine Stickstoffatmosphäre die einen leichten Überdruck aufweisst Glove-Box zum einführen einer Kalibrationsquelle Komplette Anordnug in klimatisierter Umgebung

20 DAMA/NaI: Vor-/Nachteile
bekannte Technologie geringe Kosten grosse Masse auch Spinabhaengige Wechselwirkung Keine Untergrunddiskrimination

21 DAMA/NaI: Ergebnisse Fitten einer Cosinusfunktion ( Acos(omega(t-t_0)) an die erhaltenen Daten bester Fit: A = (0,0200±0.0032) cpd/kg/keV; t_0 = (140 ± 22) d; T = (1,00 ± 0,01) y dabei ist: χ2/dof = 71/31

22 DAMA/NaI: Fehlerquellen

23 CDMS I/II (Cryogenic Dark Matter Search)
CDMS I an der Stanford University, ca. 10 m unter der Erde CDMS II in einer Mine (Soudan Mine) in der Nähe von Minnesota, Tiefe: eine halbe Meile, Gestein sehr arm an radioaktiven Isotopen cryogenic: Messung der totalen Rückstoßenergie mit thermischen Detektoren; dabei gibt es sehr kleine Änderungen der Temperatur. 2 Detektortypen: BLIP (Berkeley Large Ionization- and Phonon-mediated detector) und ZIP (Z-sensitive Ionization and Phonon-mediated detector)

24 CDMS: BLIP-Detektor Zylindrischer Ge Einkristall, hoher Reinheit, undotiert, 165g 2 NTD Ge Thermistoren messen die Temperaturänderung durch Phononenerzeugung Messung der Ionisationsladung durch anlegen einer Spannung an den Elektroden auf der Ober- und Unterseite Tower Wiring heat sinking holds cold FETs for amplifiers Eutectically bonded thermistors T hoch 3 abhaengigkeit der waermekapzitaet Inner Ionization Electrode Outer Ionization Electrode Passive Ge shielding (NTD-Ge thermistors on underside)

25 CDMS: ZIP-Detektor Detektieren von athermischen Phononen, um die Produktionsrate und gleichzeitig die xy-Position für jedes Ereignis zu bestimmen hochreines, einkristallines Si, 100 g Ueberlappendende alu und wolfram 4 unabhaengige kanaele Jeweils 444 transition edge sensors die jeweils mit 6 aluminium phononcollection pads gekoppelt sind Viel schneller als blips, detektieren athermische photonen bevor sie in thermische zerfallen. Phononen brechen cooperpaare auf, uebergang von supraleitend zu normalleitend

26 CDMS: Meßschema

27 CDMS: Aufbau (CDMS I) Tiefe von nur 10.6m reduziert Muonenfluss um einen Faktor 5, außerdem Radioaktivität in den Wänden  Weitere Abschirmung notwendig Szintillator als aktives Muon-Veto, Antikoinzidenzmethode Pb-Schild: 15cm dick, reduziert Photenfluß um Faktor 1000 Polyethylen-Schild, 25cm dick (optimal), bremst und absorbiert Neutronen aus Tunnelwänden und Muonenzerfall Kupferkryostat: 6 Temperaturstufen (10mK, 50mK, 600mK, 4K, 77K, 300K), Innerste Kammer ca. 21 Liter Volumen Inner pb shcild aus glover blei, arm an Pb210 (22jahre)

28 CDMS: Was sieht man bei der Messung?
a) Elektronenquelle b) Neutronenquelle

29 CDMS: Ergebnisse

30 CDMS: Ergebnisse

31 Vergleich CDMS/DAMA DAMA liefert modellunabhaengige Ergebnisse, alle anderen erstellen Ausschlußplots mit bestimmten Modellen andere Experimente sind nicht empfindlich genug für eine Detektion der jährlichen Modulation teilweise sind nur sehr wenige Messwerte vorhanden Hintergrundreduktion nicht so sehr einfach neue Versuchsaufbauten bringen schon Probleme bei der Bestimmung der Energieskala drehe obige Argumente vice versa Bester gleichzeitiger Fit, sagt zu kleine Modulation bei DAMA voraus, bzw. zu wenige Ereignisse bei CDMS

32 CRESST I: Detektor Wolframthermometer Halte Block mit Schraubenkontakt
Cryogenic Rare Event Searching using Superconducting Thermometers CRESST I: Detektor Wolframthermometer Halte Block mit Schraubenkontakt Plastikfedern Saphirkristall Plastik-/Saphirbälle zur Lagerung Halteblöcke mit Schraubenkontakten zu den Squids DM-Grenzen wurden in einem 138,8 h Lauf aufgenommen im Okt. 2000 361 Ereignisse (nach Entfernung von Koinzidenzen) wurden detektiert im Energiebereich von 600 eV (Software) – 120 keV Auswertung mit verschiedenen Methoden Kollaboration aus verschiedenen Gruppen, u.a. MPI und TU München Steht in Gran Sasso, Italien CRESST I im März 2001 beendet, Phase II unterwegs In Phase I: Dielektrischer Kristall (262g Saphir) für die WW an dessen Oberfläche ein dünner supraleitender Film (W bei 15mK) angebracht ist. Vergrößern von kleineren Detektoren mit nur 32g möglich, da Phononen nicht thermisch Zerfallen

33 CRESST: Ergebnisse

34 CRESST II CaWO4 Abschirmung kann Hintergrund nicht vollständig abschalten Versuche im Detektor zwischen Kern und Elektronenstößen zu unterscheiden Szintillations-kaloriemeter mit einer Masse von 10kg Empfindlichkeit deutlich erhöht

35 EDELWEISS: Aufbau 70 mm durchmesser ,20 mm hoch
Elektroden, die 2 regionen definieren Ultraschall verbindung der kontakte anstatt zu kleben

36 EDELWEISS: Diskrimination

37 EDELWEISS II 12 pro lage

38 Fazit Untergrundreduktion sehr wichtig
Abschirmung Diskriminierung der Signale Endgültiger Nachweis erfordert Messung der jährliche Modulation

39 Literatur Axionen-Übersicht: Phys. Rep. 325 (2000) 1-39
WIMP-Übersicht: Experimental Searches for Non-Baryonic Dark Matter: WIMP Direct Detection astro-ph/ Dez 2001 Supersymmetric DM:Phys. Rep. 267 (1996) DAMA: Riv. N. Cim. 26 n.1 (2003) 1-73 CDMS: astro-ph v3 16.Aug 2002 EDELWEISS: astro-ph/ v1 17 Jun2002