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Forschungszentrum Karlsruhe in der Helmholtz-Gemeinschaft Institut für Kernphysik Direkte Suche nach Dunkler Materie mit dem Experiment Einführung Dunkle.

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Präsentation zum Thema: "Forschungszentrum Karlsruhe in der Helmholtz-Gemeinschaft Institut für Kernphysik Direkte Suche nach Dunkler Materie mit dem Experiment Einführung Dunkle."—  Präsentation transkript:

1 Forschungszentrum Karlsruhe in der Helmholtz-Gemeinschaft Institut für Kernphysik Direkte Suche nach Dunkler Materie mit dem Experiment Einführung Dunkle Materie, EDELWEISS I Ergebnisse, EDELWEISS II (Myon-Veto), G4 Simulation, Status & Ausblick Markus Horn, Astroteilchenschule 2004, Obertrubach-Bärnfels

2 Astroteilchenschule Bärnfels, Markus Horn: Direkte Suche nach DM: EDELWEISS-II Dunkle Materie: WIMPs WMAP: Ω tot = 1 Nukleosynthese Ω baryon Nicht-Baryonische Dunkle Materie (D.E.) notwendig Kandidat Dunkler Materie: WIMP (weakly interactive massive particle) –SUSY: natürliche Lösung Neutralino (Mix aus Photino, Zino, Higgsino), el. neutral, schwach WW m χ GeV-TeV Erhaltungsgröße R-Parität stabil Relic density: Ω χ 0.1 Direkte und indirekte Nachweismethoden –Indirekt: Nachweis Annihilationsprodukte, z.B. γ, Antimaterie (AMS, BESS, HEAT & andere Ballon-Exp.) –Direkt: elastische Streuung an Kernen (CDMS, CRESST, DAMA, EDELWEISS, ZEPLIN, etc.)

3 Astroteilchenschule Bärnfels, Markus Horn: Direkte Suche nach DM: EDELWEISS-II Direkte Nachweismethode der WIMPs Elastische Streuung von WIMPs an Kernen eines Targets –Spin-unabhängig: –Spin-abhängig: Niedrige Ereignisrate –R 0 < 2 events/kg/d Sehr geringe Rückstoßenergien –E recoil < 100 keV Anforderungen an den Detektor: Starke Unterdrückung des Untergrunds Sehr geringe Energieschwellen Geeignetes Detektormaterial (Spin, Masse) 2 Signalkanäle pro Ereignis z.B. Wärme(Phononen) & Ionisation/Szintillation Quenching Particle ID Alternativ: DAMA: jährliche Modulation des WIMP- Signals χ (WIMP)

4 Astroteilchenschule Bärnfels, Markus Horn: Direkte Suche nach DM: EDELWEISS-II Das EDELWEISS-Experiment im Untergrundlabor Modane CEA-Saclay DAPNIA and DRECAM CRTBT Grenoble CSNSM Orsay IAP Paris Laboratoire Souterrain de Modane (Fréjus) IPN Lyon Forschungszentrum Karlsruhe Universität Karlsruhe NEMO III EDELWEISS I & II Halle ItalienFréjus AutotunnelFrankreich Fréjus Untergrundlabor 1750 m Gestein = 4800 m water equivalent Myonfluss ~ 4.5/m 2 /d Neutronenfluss ~ 1.6 x /cm 2 /s (überwiegend nat. Radioaktivität des umgeb. Gesteins)

5 Astroteilchenschule Bärnfels, Markus Horn: Direkte Suche nach DM: EDELWEISS-II Kryogene Ionisations-Wärmedetektoren Simultane Messung des Ladungs- und Wärmesignals bei jedem Ereignis Unterschiedliche Ladungen/ Wärmeverhältnisse bei Elektronen- und Kernrück- stößen (γs, βs ionisieren stärker als WIMPs und Neutronen) Wärme Ionisation Thermistor (NTD Ge) (NTD Ge) Ge Kristall, T~20mK Elektroden(Chargecollection) event by event Diskriminierung Neutronen 73 Ge(n,nγ)Gammas Ionisations- schwelle (3.5 keV)

6 Astroteilchenschule Bärnfels, Markus Horn: Direkte Suche nach DM: EDELWEISS-II EDELWEISS-I: 1kg - Stufe 2003 EDELWEISS Daten: Zusätzliche ~ 45 kg×d Datennahme Daten entsprechen ~ 62 kg×d Ergebnisse: –Stabiles Verhalten der 3 Detektoren –Geringere Energieschwelle von 15 keV (phonon trigger) –beob. Ereignisse im Rück- stoßband (unterhalb 30 keV) Neue (prel.) Limit konsistent mit vorheriger Publikation Archäologisches Blei 3×320g Detektoren Dilution-Kryostat (Betriebstemp. ~15 mK) PRELIMINARY

7 Astroteilchenschule Bärnfels, Markus Horn: Direkte Suche nach DM: EDELWEISS-II EDELWEISS-I: experimentelle Spektren Niederenergetisches Spektrum nicht konsistent mit WIMP- Massen 20GeV Möglicher Untergrund: –Neutronen, –Oberflächenereignisse (unvollständige Ladungssammlung)

8 Astroteilchenschule Bärnfels, Markus Horn: Direkte Suche nach DM: EDELWEISS-II EDELWEISS-II: Ausblick 1. Phase:21×320g Ge/NTD Thermistoren 7 ×200g Ge/NbSi thin film sensors Ziel:Sensitivitätssteigerung um Faktor ×100 EDWI (1kg) EDWII (40kg) total exposure ×100 Neutronenuntergrund (E recoil > 30 keV) Hauptuntergrundquelle: Myon-induzierte Neutronen in der Abschirmung (&umgeb. Gestein) EDW-IEDW-II 0.5 evt (30.5 kg ×d) 50 evts (3000 kg ×d) Myon-Veto-Zähler Sensitivity goal EDW-II

9 Astroteilchenschule Bärnfels, Markus Horn: Direkte Suche nach DM: EDELWEISS-II PM 2 XP 2262 (Photonics) EDELWEISS-II Abschirmungsstrategie 100m 2 Plastikszintillatoren, 42 Bicron BC 412 Module Effizienz der µ-Detektion ε 98 % (Florian Habermehl) Abschirmung: 20 cm Pb(36 t) 50 cm PE(30 t) 5cm aktiver -Veto

10 Astroteilchenschule Bärnfels, Markus Horn: Direkte Suche nach DM: EDELWEISS-II EDELWEISS-II Myon-Veto

11 Astroteilchenschule Bärnfels, Markus Horn: Direkte Suche nach DM: EDELWEISS-II EDELWEISS Geant4 – Untergrundsimulationen Tasks: 1.Implementierung der Energie und Winkel- verteilung des Myonflusses im Untergrundlabor (Geometrie Fréjus) 2.DIS hochenergetischer Myonen mit Detektormaterial & umgeb. Gestein 3.Neutronenproduktion und Neutronen- wechselwirkung innerhalb des Detektors 4.Vergleich Geant4 mit anderen Simulations- paketen (FLUKA, MCNP, etc.) Vergleich der Untergrund- simulationen mit experimentellen Daten

12 Astroteilchenschule Bärnfels, Markus Horn: Direkte Suche nach DM: EDELWEISS-II Geant4 Software und Tools Installierte Version: Geant4 6.2p1 (Juli 2004) Visualisation tools: –JavaGUI, –OpenGL, –Dawn Analysis tools: –AIDA 3.2.1, –JAS

13 Astroteilchenschule Bärnfels, Markus Horn: Direkte Suche nach DM: EDELWEISS-II Status Geant4 Simulationen einfache Geometrie des Myon-Vetos GPS (G4GeneralParticleSource) : Histogrammbasierte Energie- und Winkelverteilung AIDA-Analyse und JAS3 Datenanalyse ok

14 Astroteilchenschule Bärnfels, Markus Horn: Direkte Suche nach DM: EDELWEISS-II Ausblick Installation des Myon-Veto im Frühjahr 2005 Erste Datennahme Mitte 2005 –Messung des Myonflusses und Muon tracking Ausblick Geant4-Simulationen (mh) : –Implementierung der kompletten Detektorgeometrie –Test der Geant4-Physiklisten der Neutronenproduktion und ~wechselwirkung –umfassende Untersuchung des Untergrunds (inkl. aller Untergrundsquellen, z.B. nat. Radioaktivität, (α,n)-Reaktionen, etc.


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