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

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

Beobachtbare Materie reicht nicht aus Warum Materie? Dunkle Materie Beobachtbare Materie reicht nicht aus 1: Massenverteilung 2: Gravitative Ablenkung von Lichtstrahlen 3: 2d-Survey in Blau, Simulation in Rot; Jeder Punkt eine Galaxie: Sichtbare Masse reicht nicht aus, um die bisherige Entwicklung des Universums in 14 Milliarden Jahren abzuwickeln Rotationskurven von Galaxien Gravitationslinsen Millenium Simulation 1 – Dunkle Materie [www.astro-photography.net \ www.universetoday.com;\ www.forum.celestialmatters.org]

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

Natur der dunklen Materie? Baryonisch (gr. βαρύζ 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) 1: Gas erwärmt sich, selbst riesige Wolken haben zu wenig Masse // Staub strahlt Infrarot, weil sie Sternenlicht reemittieren 2: Braune Zwerge; Annahme: nur kleiner Teil der DM 3: zB. Hochenergetische Neutrinos; zur Folge: TopDown; zur Zeit: frühe Galaxien und noch entwickelnde Haufen, Yale: Inaktive Galaxien von 1.5Mrd Jahren; HDM erklärt nicht Millenium Simulation 4: Nur Gravitation und Schwache Wechselwirkung 1 – Dunkle Materie

Hat dieses Ergebnis nicht verifizieren können! Erhitzte Gemüter Hat dieses Ergebnis nicht verifizieren können! Juan Collar gegen Xenon: Verständnis von LXe unvollständig; Vorgehensweise bei der Auswertung mangelhaft Aprile kontert Collar gegen CDMS (auch Germanium, auch Soudan-Mine) CDMS: Stabile Paper, Light WIMPs ausgeschlossen, welche bei CoGeNT detektiert wurden Auch Aprile zwei Fronten: Funkstille zu Bernabei (DAMA), seit die Mittel für XENON stehen Meinung dazu von „Feindmacherei“ über „Nur eine Wahrheit; Konflikt entsteht durch die Unsicherheiten dieses Bereichs“ bis zu „Gut, dass Ergebnisse teils aggressiv auf die Probe gestellt werden“ CoGeNT DAMA/LIBRA XENON (erste Versuche) CDMS 1 – Dunkle Materie [http://www.sciencenews.org/] [arXiv:1106.0650]

WIMPs R-Paritätserhaltung verhindert Zerfall von SPs zu SM-Teilchen R-Parität (SM +1; SUSY -1)  Prozesse mit einer ungeraden Anzahl an SUSY-Teilchen verboten LSP = Lightest Supersymmetric Particle Alles Masseneigenzustände unter dem Namen Neutralino (H~ auch Higgsino; g~ Photino; Z~ Zino) 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 [http://www.scienceblogs.de]

WIMPs ENuc ≈ 10keV für mWIMP,Nuc ≈ 50 GeV Rechnungen mit CMSSM führen zu σ/m Abschätzung Vgl συ ,Nuc ≈ 10-39 cm² < 1 Event pro 100kg und Tag 1) Nicht viel; vgl. mit Energie im Festkörper-Gefüge 1 – Dunkle Materie [arXiv 1011.3532v1]

Vorhaben Probleme zu lösen: Herausforderung: Sehr kleine Ereignisraten Sehr kleine Energien Dominanter Untergrund Verschiedene Teilchenarten Herausforderung: Viele Target-Teilchen Hochsensitive Detektoren Reine Stoffe & Abschirmung Unterscheidung? 2 – LXe-Detektor

∝ Vorhaben Ursprung der Szintillation: Ionisation: Anregung von Atomen Cryobolometer Szintillation Wärme Flüssige Edelgase Ionisation Ursprung der Szintillation: Anregung von Atomen Abregung durch Photoemission Lichtpulse ~O(ns) 2) Abhängig von Teilchenart: Elektronen sehr viel Szintillation 4) Nur sehr schwacher Zusammenhang, außer für sehr niedrige Energien  Hier konstant SUMME: Eszin ~ 10eV ; Eion,1 = 12,13 eV  bei ~10keV in etwa 1000 Sekundärteilchen Ionisation: Ausbeute unabhängig von Art der eintreffenden Strahlung Ionisationssignal Energie ∝ 2 – LXe-Detektor [http://www.maphi.de/physik/atomphysik/] [https://lp.uni-goettingen.de/get/text/4958]

Flüssiges Xenon als Detektor Prinzip Flüssiges Xenon als Detektor Edelgas Nur Xe und Ar erzeugen Szintillation und Ladungsträger als Reaktion auf Strahlung Starke Anti-Korrelation beider Effekte Ordnungszahl 54 Hohe Effizienz, einfallende Strahlung zu wechselwirken (mitunter: mWIMP ≈ mNuc) Hohe Dichte (3 g/cm³) Stabil 2 der 9 Xe-Isotope sind radioaktiv: 124Xe (0,1%; tH>4,8∙1016a) & 136Xe (8,9%, tH>1022a) Hoher Siedepunkt 165,05 K bei 1atm Unkomplizierte Kryotechnik 1) Komplementär 2) Dichte = Wasser x 3 2 – LXe-Detektor

Prinzip Zweiphasige TPC PMTs zur Lichtdetektion WIMP trifft Kern und erzeugt Szintillation und Elektronen Detektor registriert S1 6) ρflüßig = 519 x ρgas  Elektronen können bis Eion beschleunigen Wähle U < induzierte Durchschlagspannung (anderes als zB. Beim GeigerMüller)  Suche Proportionalbereich Szintillationseffekt ist dann wieder proportional zur einfallenden Energie Elektronendrift durch E-Feld Elektronenvervielfachung und proportionale Szintillation Detektor registriert S2 2 – LXe-Detektor [http://xenon.physics.rice.edudetector.html]

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

161 kg LXe und Gxe; davon sind ~100 kg Veto Aufbau XENON 100 161 kg LXe und Gxe; davon sind ~100 kg Veto 30,5 cm Durchmesser 30,6 cm Höhe 3 – XENON100 [xenon.astro.columbia.edu/XENON100_Experiment/]

Aufbau XENON 100 80 PMTs im unteren Array 98 PMTs im oberen Array QE unten 33% (S1) QE oben 23% (S2) 2) S1 wird nur unten gesehen wegen Reflexion an Phasengrenze 3 – XENON100 [xenon.astro.columbia.edu/XENON100_Experiment/]

Aufbau XENON 100 4 Gitter-Elektroden Drift-Feld: 530 V/cm (Geschwindigkeit gesättigt) Hohes Extraktions-Feld 3 – XENON100 [xenon.astro.columbia.edu/XENON100_Experiment/]

Aufbau XENON 100 T=182K Vgl. Tboil(Xe)≈165,1K Druck: 2,2 bar 2) Pulst Tube Refrigerator  Sterling-Motor ohne mechanische Teile am Kältpunkt  wenige Kelvin 3 – XENON100 [xenon.astro.columbia.edu/XENON100_Experiment/]

Passive Abschirmung ‚Äußerster‘ Schild Äußerer Schild Innerer Schild 1400m Gestein Äußerer Schild 20 cm PE 5 cm Borsäure 15 cm Blei 5 cm French Lead 5 cm OFHC-Cu Innerer Schild EVHC 6,7 cm OFHC-Cu PTFE 3) Polyethylen; Wasserstoff gegen Neutronen (Moderation) 4) Bor gegen Neutronen (KKWs) 5) Gegen Gamma 6) Unaktiviert 7) Oxigen Free High Conductivity Kupfer gegen Bremsstrahlung Kupfer-Kältefinger kühlt Xenon aus; Gegen Gamma und Xray vom Blei B) Massen: Blei: 27t + 6t; PE: 2t; Cu: 2t 8) Ethanyl-Vinyl-Alkohol  Leitet effektiv Radon aus dem innersten Bereich ab 10) PTFE = Polytetrafluorethylene (Teflon) C) Auch Kühlsystem muss abgeschirmt werden 3 – XENON100 [xenon.astro.columbia.edu/XENON100_Experiment/] [xenon.astro.columbia.edu/presentations/talk-19-tziaferi.pdf] [http://www.stradadeiparchi.it/]

Infos 3 – XENON100 [http://www.ilgransasso.com/territorio.html] Lowering der TPC in den Rezipienten Elena Aprile im Kupferschild 3 – XENON100 [http://www.ilgransasso.com/territorio.html] [http://www.lngs.infn.it/lngs_infn/] [http://www1b.physik.rwth-aachen.de/xenon/]

Herausforderungen? Herausforderungen! ‚Friendly Fire‘ ABER Kühlung unproblematisch ‚Friendly Fire‘ 124Xe (0,1%; tH>4,8∙1016a)  ~10 Mio. Zerfälle pro Jahr 136Xe (8,9%, tH>1022a)  ~5000 Zerfälle Physik des Detektors verstanden ABER Gute Abschirmung c(Kr) ~ 150 ppt (~1017 Kerne) 85Kr (Spuren; tH=10,756 a) Reinheit des Target-Materials? Radiopurity (So wenig Krypton und radioaktives Xenon wie möglich) c(O2) < 1ppb  Probleme bei Attachment und Extraktion Gefäßmaterial und Organische Moleküle 3 – XENON100

Kalibration Diskriminierung: Effizienz von >99% 4 – Ergebnisse 3) Oben Elektronen-; Unten:Kerne-Recoils; Vertikal-Dashed: WIMP-Fenster; Lond-Dashed: S2 Software-Threshold Diskriminierung: Effizienz von >99% 4 – Ergebnisse [E. Aprile, T. Doke; Rev. Mod. Phys., Vol82, P.2053] [arXiv 1005.0380v3]

Limit 4 – Ergebnisse [arXiv 1104.2549v2] Limit: CMSSM-Erwartung der Masse bei 68% und 95% 2010: Alt, erste Hochrechnungen 2011: Neu, mit Ergebnisse wie in kleiner Graphik oben 4 – Ergebnisse [arXiv 1104.2549v2]

Rote Stöße interessant Messungen Daten von 11,2 Tagen Self-Shielding Fiduzialisa- tion (40kg) 2) Aktive Abschlidung (Active Veto) 5) Rote Stöße unter Nuclear-Recoil-Mittelwert Schwelle bei 30 keVnr Rote Stöße interessant 4 – Ergebnisse [arXiv 1005.0380v3]

Erwartung Untergrund 1,8 ± 0,6 Messungen Daten von 101 Tagen Self-Shielding, Fiduzialisation 3 Events im Detektor Erwartung Untergrund 1,8 ± 0,6 Von Januar bis Juni 2010 Fiduzialisation auf 48 kg S1-Schwelle anpassen um 100kHz Rauszunehmen Zu 99,75% sicher 31, 34 und 12 keV Poisson: Pk=3=28% Keine Be- obachtung 4 – Ergebnisse [arXiv 1005.0380v3] [arXiv 1104.2549v2]

Erhöhung der Masse auf mfiducial=1000 kg Aussicht Erhöhung der Masse auf mfiducial=1000 kg Gesamtmasse: 2,4 Tonnen XENON 1t 10 cm Self-Shielding Noch bessere Abschildung Faktor 100 weniger Untergrund Sensitivität: σ ~ 3∙10-47 cm2 Geld besorgt Design abgeschlossen Timeline: 2011 - 2015 5 – Ausklang [http://resonaances.blogspot.com/2011/01/another-year.html] [E. Aprile, T. Doke; Rev. Mod. Phys., Vol82, P.2053]

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

Dankeschön 5 – Ausklang

Konkurrenz 6 – Anhang [SCIENCE Vol332 vom 3.6.2011; 1144-1147] [arXiv 1106.0650] [SZ]

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

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

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

6 – Anhang

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

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 7 – Nachtrag [E. Aprile, T. Doke; Rev. Mod. Phys., Vol82, P.2053]