Direkte Suche nach Dunkler Materie mit dem Experiment 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

Dunkle Materie: WIMPs WMAP: Ωtot = 1  Nukleosynthese Ωbaryon ≈ 0.04-0.05 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 mχ ≈ GeV-TeV Erhaltungsgröße R-Parität  χ stabil ‘Relic density’: Ωχ ≈ 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.) Markus Horn: Direkte Suche nach DM: EDELWEISS-II Astroteilchenschule Bärnfels, 27.03.2017

Direkte Nachweismethode der WIMPs Elastische Streuung von WIMPs an Kernen eines Targets Spin-unabhängig: Spin-abhängig: Niedrige Ereignisrate R0 < 2 events/kg/d Sehr geringe Rückstoßenergien Erecoil < 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 χ(WIMP) Alternativ: DAMA: jährliche Modulation des WIMP- Signals Markus Horn: Direkte Suche nach DM: EDELWEISS-II Astroteilchenschule Bärnfels, 27.03.2017

Das EDELWEISS-Experiment im Untergrundlabor Modane  Italien Fréjus Autotunnel Frankreich CEA-Saclay DAPNIA and DRECAM CRTBT Grenoble CSNSM Orsay IAP Paris Laboratoire Souterrain de Modane (Fréjus) IPN Lyon Forschungszentrum Karlsruhe Universität Karlsruhe Halle NEMO III Fréjus Untergrundlabor EDELWEISS I & II 1750 m Gestein = 4800 m water equivalent Myonfluss ~ 4.5/m2/d Neutronenfluss ~ 1.6 x 10-6/cm2/s (überwiegend nat. Radioaktivität des umgeb. Gesteins) Markus Horn: Direkte Suche nach DM: EDELWEISS-II Astroteilchenschule Bärnfels, 27.03.2017

Kryogene Ionisations-Wärmedetektoren Thermistor (NTD Ge) Wärme Elektroden (Charge collection) Ionisations-schwelle (3.5 keV) Ge Kristall, T~20mK Ionisation 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) Neutronen 73Ge(n,n’γ) Gammas ‘event by event’ Diskriminierung Markus Horn: Direkte Suche nach DM: EDELWEISS-II Astroteilchenschule Bärnfels, 27.03.2017

EDELWEISS-I: “1kg” - Stufe PRELIMINARY Dilution-Kryostat (Betriebstemp. ~15 mK) 2003 EDELWEISS Daten: Zusätzliche ~ 45 kg×d Datennahme 2000-2003 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 Markus Horn: Direkte Suche nach DM: EDELWEISS-II Astroteilchenschule Bärnfels, 27.03.2017

EDELWEISS-I: experimentelle Spektren Niederenergetisches Spektrum nicht konsistent mit WIMP-Massen ≥ 20GeV Möglicher Untergrund: Neutronen, Oberflächenereignisse (unvollständige Ladungssammlung) Markus Horn: Direkte Suche nach DM: EDELWEISS-II Astroteilchenschule Bärnfels, 27.03.2017

EDELWEISS-II: Ausblick EDWI (1kg)  EDWII (40kg)  ’total exposure’ ×100  Neutronenuntergrund (Erecoil > 30 keV) Hauptuntergrundquelle: Myon-induzierte Neutronen in der Abschirmung (&umgeb. Gestein) Sensitivity goal EDW-II EDW-I EDW-II 0.5 evt (30.5 kg ×d) 50 evts (3000 kg ×d) Myon-Veto-Zähler 1. Phase: 21×320g Ge/NTD Thermistoren 7 ×200g Ge/NbSi ‘thin film sensors’ Ziel: Sensitivitätssteigerung um Faktor ×100 Markus Horn: Direkte Suche nach DM: EDELWEISS-II Astroteilchenschule Bärnfels, 27.03.2017

EDELWEISS-II Abschirmungsstrategie 100m2 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 m-Veto PM 2“ XP 2262 (Photonics) Markus Horn: Direkte Suche nach DM: EDELWEISS-II Astroteilchenschule Bärnfels, 27.03.2017

EDELWEISS-II Myon-Veto Markus Horn: Direkte Suche nach DM: EDELWEISS-II Astroteilchenschule Bärnfels, 27.03.2017

EDELWEISS Geant4 – Untergrundsimulationen Tasks: Implementierung der Energie und Winkel- verteilung des Myonflusses im Untergrundlabor (Geometrie Fréjus) DIS hochenergetischer Myonen mit Detektormaterial & umgeb. Gestein Neutronenproduktion und Neutronen- wechselwirkung innerhalb des Detektors Vergleich Geant4 mit anderen Simulations- paketen (FLUKA, MCNP, etc.)  Vergleich der Untergrund-simulationen mit experimentellen Daten Markus Horn: Direkte Suche nach DM: EDELWEISS-II Astroteilchenschule Bärnfels, 27.03.2017

Geant4 Software und Tools Installierte Version: Geant4 6.2p1 (Juli 2004) Visualisation tools: JavaGUI, OpenGL, Dawn Analysis tools: AIDA 3.2.1, JAS3 0.7.6 Markus Horn: Direkte Suche nach DM: EDELWEISS-II Astroteilchenschule Bärnfels, 27.03.2017

Status Geant4 Simulationen einfache Geometrie des Myon-Vetos GPS (G4GeneralParticleSource): Histogrammbasierte Energie- und Winkelverteilung AIDA-Analyse und JAS3 Datenanalyse ok m Markus Horn: Direkte Suche nach DM: EDELWEISS-II Astroteilchenschule Bärnfels, 27.03.2017

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. Markus Horn: Direkte Suche nach DM: EDELWEISS-II Astroteilchenschule Bärnfels, 27.03.2017