Xenon 10 Einführung: Xenon10: Xenon100: Xenon1000: -Dunkle Materie -Kandidaten für DM Xenon10: -Aufbau -Messung -Probleme und Lösungsansätze -erste Ergebnisse Xenon100: -Überblick Xenon1000: -Überblick Georg Thome 05.12.2008

Einführung Dunkle Materie Rotationsgeschwindigkeiten von Spiralgalaxien, ergeben sich zu v(r)=sqrt(GM/r) Nach Rechnung würde gelten Im innersten der Galaxie v(r)~r Ausserhalb der Galaxie v(r)~r^(-1/2) ABER: v(r)~const. schon für kleine Abstände r -> M~r Georg Thome 05.12.2008

Einführung Georg Thome 05.12.2008

Kandidaten Heisse dunkle Materie -Neutrinos -würde Top-Down-Szenario erzeugen -geringer Anteil an dunkler Materie Kalte dunkle Materie -WIMP‘s (Weakly Interacting Massive Particle) -SUSY -Neutralino Georg Thome 05.12.2008

Suche nach Dunkler Materie -direkter Nachweis (elastische Streuung an Targetatomen) -indirekter Nachweis (Annihilation) -CDMS II Phononen und Ionisation -EDELWEISS Phononen und Ionisation -CRESST II Phononen und Szintillation -ZEPLIN II Szintillation und Ionisation Georg Thome 05.12.2008

-Flüssiges Xe als Detektormaterial (LXe) Einleitung -Flüssiges Xe als Detektormaterial (LXe) gute Selbstabschirmung -hohe Dichte kompakte Detektoren -hohe Massenzahl -Betriebstemperatur „leicht“ zu halten -niedrige Energieschwelle der Rückstoßenergie -gute Ionisations- und Szintillationseigenschaften Georg Thome 05.12.2008

-WIMP‘s und Neutronen streuen am Kern Streuprozesse -WIMP‘s und Neutronen streuen am Kern -Gamma- und Betastrahlen streuen an der Elektronenhülle -Unterscheidung von Kernrückstößen (NR) und Elektronenrückstößen (ER) möglich Georg Thome 05.12.2008

Ionisationsprozesse Georg Thome 05.12.2008

-Untergrundlabor Gran Sasso Xenon 10 -direkter Nachweis -Untergrundlabor Gran Sasso Aufbau -Dual-Phasen-Detektor -aktive Masse 15 kg -Abschirmung durch LXe -Baukastenprinzip Georg Thome 05.12.2008

Xenon 10 Innere Aufbau -Zeitprojektionskammer (TPC) -homogenes E-Feld -41 PMT‘s oben (gasphase) und 48 PMT‘s unten (flüssigphase) -Abschirmung durch Polyethylen und Blei Georg Thome Georg Thome 05.12.2008 05.12.2008

Xenon 10 -Teilchen tritt in Detektor ein -Szintillation in LXe wird als S1 erkannt -Ionisation, Elektronen werden beschleunigt im Feld E D -werden extrahiert ins Gas durch E ext -erzeugen Gasentladung Georg Thome 05.12.2008

Xenon 10 Signalerzeugung -WIMP‘S weniger Ionisation mehr Szintillation -Gamma‘s mehr Ionisation weniger Szintillation -Szintillation in LXe -Ionisation führt zu Lichtsignalen in GXe -Verhältnis lässt Unterscheidung zu Georg Thome 05.12.2008

Xenon 10 -3D Rekonstruktion eines Ereignisses möglich -obere PMT‘S bestimmen xy Position -Driftzeit bestimmt z Position WICHTIG -Unterscheidung der Randsignale -Filtern des Hintergrunds Georg Thome 05.12.2008

Xenon 10 -“Abschneiden“ des Randes -aktive Masse bestimmen Georg Thome 05.12.2008

Xenon 10 Hintergrund Beta und Gamma Hintergrund Krypton und Radon -Reinheit << 1 ppb 136 Doppelter Betazerfall durch Xe Neutronen Hintergrund -Kernrückstöße der Neutronen ununterscheidbar von WIMP‘s -kosmische Strahlung -umgebendes Gestein -U/TH Verunreinigungen der Detektormaterialien Georg Thome 05.12.2008

Xenon 10 Kalibration -Justierung durch Co-57 und Cs-137 (Gammaquellen) -durchschnittliche Lichtausbeute Cs-137 1464 pe bei 662 keV (2.2pe/keV) -durchschnittliche Lichtausbeute Co-57 374 pe bei 122 keV (3.1pe/keV) Georg Thome 05.12.2008

Xenon 10 AmBe als Neutronenquelle -durchschnittliche Lichtausbeute AmBe (0.7pe/keV) Georg Thome 05.12.2008

Xenon 10 -Bestimmung der Energieverteilung -ER Band -NR Band -99,5% Unterdrückung der Beta- und Gammastrahlung unterhalb des NR-Bandes -NR Band -Detektorschwelle 4.5-26.9 keV -S2 Trigger bei 300pe Georg Thome 05.12.2008

Xenon 10 Georg Thome 05.12.2008

Xenon 10 Erste Resultate -58.6 Tage Aufnahme der Daten -WIMP‘s? -statistischer Fehler des ER-Bandes -WIMP‘s? Rauschen Georg Thome 05.12.2008

Xenon 10 + alle Signale + alle Signale nach Softwarefilterung -Randeffekte im aktiven Bereich Höchstwahrscheinlich kein WIMP-Signal Verbesserungen? Georg Thome 05.12.2008

Xenon 100 -170 kg LXe (70kg Targetmasse) -Gammaunterdrückung 10² besser als Xenon10 -Sensitivität σ ~ 2 x 10 cm² -45 Georg Thome 05.12.2008

Xenon 1000 -3t LXe (1t Targetmasse) -Sensitivität σ ~ 2 x 10 cm² -47 -Sensitivität σ ~ 2 x 10 cm² -bessere Detektormaterialien -Funktionsprinzip ähnlich XENON10 und XENON100 Georg Thome 05.12.2008

Xenon 1000 Sensitivität (Voraussagen) Georg Thome 05.12.2008

Quellen http://xenon.astro.columbia.edu http://xenon.brown.edu/ http://www-ekp.physik.uni-karlsruhe.de/~deboer/ http://www-ekp.physik.uni-karlsruhe.de/~feindt/ http://mckinseygroup.physics.yale.edu/ Klapdor-Kleingrothaus, H.; Zuber, K.: Teilchenastrophysik, Teubner Verlag, 1997 Georg Thome 05.12.2008