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Suche nach Dunkler Materie mit dem XENON-Experiment Seminar für Astro- und Teilchenphysik Michael Wagenpfeil (11. Juli 2011)

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Präsentation zum Thema: "Suche nach Dunkler Materie mit dem XENON-Experiment Seminar für Astro- und Teilchenphysik Michael Wagenpfeil (11. Juli 2011)"—  Präsentation transkript:

1 Suche nach Dunkler Materie mit dem XENON-Experiment Seminar für Astro- und Teilchenphysik Michael Wagenpfeil (11. Juli 2011)

2 Inhalt: Motivation: Dunkle Materie Idee eines Flüssig-Xenon-Detektors Setup XENON100 Ergebnisse Zusammenfassung Inhaltsverzeichnis 2

3 Warum Materie? 1 – Dunkle Materie 3 Dunkle Materie Rotationskurven von Galaxien Gravitationslinsen Millenium Simulation Beobachtbare Materie reicht nicht aus [www.astro-photography.net \

4 Warum Dunkel? 1 – Dunkle Materie 4 Dunkle Materie wechselwirkt nicht (messbar) mit elektromagnetsicher Strahlung Wie kann man sie denn dann nachweisen? Beobachtung durch Rückstoß von Atomkernen

5 Natur der dunklen Materie? 1 – Dunkle Materie 5 Baryonisch (gr. βα ρύζ schwer) Kalte Wolken aus Gas oder Staub MACHOs (Massive astrophysical compact halo objects) Nicht- Baryonisch HDM (Heiße, schnelle Teilchen) CDM (WIMPs – Weakly interacting Massive Particles)

6 Erhitzte Gemüter 1 – Dunkle Materie 6 DAMA/LIBRACDMS Hat dieses Ergebnis nicht verifizieren können! XENON (erste Versuche) CoGeNT [arXiv: ][http://www.sciencenews.org/]

7 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 7 [http://www.scienceblogs.de] ~ ~

8 WIMPs 1 – Dunkle Materie 8 [arXiv v1] E Nuc 10keV für m WIMP,Nuc 50 GeV Rechnungen mit CMSSM führen zu σ/m Abschätzung Vgl σ υ,Nuc cm² < 1 Event pro 100kg und Tag

9 Vorhaben 2 – LXe-Detektor 9 Probleme zu lösen: Sehr kleine Ereignisraten Sehr kleine Energien Dominanter UntergrundVerschiedene Teilchenarten Herausforderung: Viele Target-Teilchen Hochsensitive Detektoren Reine Stoffe & AbschirmungUnterscheidung?

10 Vorhaben 2 – LXe-Detektor 10 Szintillation Wärme Cryobolometer Szintillation Ionisation Flüssige Edelgase [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

11 Prinzip 2 – LXe-Detektor 11 Nur Xe und Ar erzeugen Szintillation und Ladungsträger als Reaktion auf Strahlung Starke Anti-Korrelation beider Effekte Edelgas Hohe Effizienz, einfallende Strahlung zu wechselwirken (mitunter: mWIMP mNuc) Hohe Dichte (3 g/cm³) Ordnungszahl 54 2 der 9 Xe-Isotope sind radioaktiv: 124 Xe (0,1%; tH>4,81016 a) & 136 Xe (8,9%, t H>10 22 a) Stabil 165,05 K bei 1atm Unkomplizierte Kryotechnik Hoher Siedepunkt Flüssiges Xenon als Detektor

12 Prinzip 2 – LXe-Detektor 12 [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-Feld Elektronenvervielfachung und proportionale Szintillation Detektor registriert S2

13 Prinzip 2 – LXe-Detektor 13 [E. Aprile, T. Doke; Rev. Mod. Phys., Vol82, P.2053] Auflösung in alle Richtungen O (1mm) Detektor registriert zwei Signale Elektronendrift ~2mm/µs

14 Aufbau 3 – XENON [xenon.astro.columbia.edu/XENON100_Experiment/] XENON kg LXe und Gxe; davon sind ~100 kg Veto 30,5 cm Durchmesser 30,6 cm Höhe

15 Aufbau 3 – XENON [xenon.astro.columbia.edu/XENON100_Experiment/] XENON PMTs im unteren Array 98 PMTs im oberen Array QE unten 33% (S1) QE oben 23% (S2)

16 Aufbau 3 – XENON [xenon.astro.columbia.edu/XENON100_Experiment/] XENON Gitter-Elektroden Drift-Feld: 530 V/cm (Geschwindigkeit gesättigt) Hohes Extraktions-Feld

17 Aufbau 3 – XENON [xenon.astro.columbia.edu/XENON100_Experiment/] XENON 100 T=182K Vgl. T boil (Xe)165,1K Druck: 2,2 bar

18 Passive Abschirmung 3 – XENON [http://www.stradadeiparchi.it/] Äußerster Schild 1400m Gestein Äußerer Schild 20 cm PE 5 cm Borsäure15 cm Blei5 cm French Lead5 cm OFHC-Cu Innerer Schild EVHC 6,7 cm OFHC-Cu PTFE [xenon.astro.columbia.edu/presentations/talk-19-tziaferi.pdf][xenon.astro.columbia.edu/XENON100_Experiment/]

19 Infos 3 – XENON [http://www.lngs.infn.it/lngs_infn/][http://www1b.physik.rwth-aachen.de/xenon/][http://www.ilgransasso.com/territorio.html]

20 Herausforderungen? 3 – XENON Kühlung unproblematisch Physik des Detektors verstanden Gute Abschirmung Reinheit des Target-Materials? ABER Friendly Fire 124 Xe (0,1%; t H >4, 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!

21 Kalibration 4 – Ergebnisse 21 [E. Aprile, T. Doke; Rev. Mod. Phys., Vol82, P.2053][arXiv v3] Diskriminierung: Effizienz von >99%

22 Limit 4 – Ergebnisse 22 [arXiv v2]

23 4 – Ergebnisse 23 Messungen [arXiv v3] Daten von 11,2 Tagen Self- Shielding Fiduzialisa- tion (40kg) Schwelle bei 30 keV nr Rote Stöße interessant

24 4 – Ergebnisse 24 Messungen [arXiv v3] Daten von 101 Tagen Self-Shielding, Fiduzialisation 3 Events im Detektor [arXiv v2] Erwartung Untergrund 1,8 ± 0,6 Poisson: P k=3 =28% Keine Be- obachtung

25 Aussicht 5 – Ausklang 25 [E. Aprile, T. Doke; Rev. Mod. Phys., Vol82, P.2053] 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 ~ cm 2 [http://resonaances.blogspot.com/2011/01/another-year.html] Geld besorgt Design abgeschlossen Timeline:

26 Zusammenfassung 5 – Ausklang 26 Dunkle Materie konnte bislang noch nicht beobachtet werden Detektordesign ist vielversprechend Modellierte WIMP m/σ Bereiche bald großflächig abgedeckt

27 Dankeschön 5 – Ausklang 27

28 Konkurrenz 6 – Anhang 28 [arXiv ][SZ][SCIENCE Vol332 vom ; ]

29 Phasendiagramm 6 – Anhang 29 [E. Aprile, T. Doke; Rev. Mod. Phys., Vol82, P.2053]

30 Szintillation Pulsform 6 – Anhang 30 [E. Aprile, T. Doke; Rev. Mod. Phys., Vol82, P.2053]

31 Absorptionskoeffizienten 6 – Anhang 31 [E. Aprile, T. Doke; Rev. Mod. Phys., Vol82, P.2053]

32 6 – Anhang 32

33 Suche nach Dunkler Materie mit dem XENON-Experiment Seminar für Astro- und Teilchenphysik Michael Wagenpfeil (Nachtrag)

34 7 – Nachtrag 34 [E. Aprile, T. Doke; Rev. Mod. Phys., Vol82, P.2053] Detektorvolumen 30,5 cm Durchmesser 30,6 cm Höhe Volumen: 22,356 Liter Masse: ~ 67 kg Knapp 100 kg sind Active Veto Fiduzialisation auf ~ 40 bis 50 kg


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