Vortrag

Hauptseminar „Schlüsselexperimente der
Elementarteilchenphysik“
XENON10
Die Suche nach
dunkler Materie.
Gliederung
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Dunkle Materie WIMPs
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XENON10
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Ausblick
Was ist Dunkle Materie?
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Beobachtete Rotationskurve stimmte nicht mit der
durch die Massen berechneten überein.
Darum muss es eine Masse geben, die für dieses
Phänomen verantwortlich ist.
=> Dunkle Materie
Was wir bereits über Dunkle Materie wissen:
– massive Teilchen mit 23% der Energie des
Universums
– wechselwirken schwach (WIMPs) mit Materie
– nicht baryonisch und keine Neutrinos
– Annihilation in Quarkpaare
Überschuss galaktischer Gammastrahlen (AMS)
=> Suche nach neuen Teilchen, den WIMPs
Suche nach WIMPs
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WIMPs:
– Masse: 50-100 GeV
– meistfavorisierte Teilchen der DM
– nicht Teil des Standardmodell, daher ist das leichteste
supersymmetrische Teilchen (LSP) der größte Favorit
– thermische Relikte aus dem Big Bang
direkte und indirekte Suche:
– indirekte Suche über Annihilationsprodukte z.B. Gammastrahlung (AMS)
– direkte Suche mit extra dafür gebauten Detektoren, die über die
schwache Wechselwirkung die WIMPs nachweisen sollen. (CDMS,
Edelweiss, XENON10,...)
=> viele Experimente mit vielen verschiedenen Ansätzen.
– Auftragung von Streuquerschnitt über WIMP-Masse
=> Vergleich verschiedener Experimente und Ergebnisse
Suche nach WIMPs
Direkte Suche
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Von Interesse sind Ereignisrate und Streuspektrum
Ereignisrate :
– totale Ereignisrate
– üblicherweise Ereignisrate pro Masseneinheit
– wichtig dafür ist die lokale Dichte der Dunklen Materie bzw. die lokale
WIMP-Dichte
– Abschätzung der lokalen WIMP-Dichte aus Rotationsgeschwindigkeit, sehr
ungenau, da Fehler aus Unsicherheiten von
● Rotationskurve für große r
● Sonnenposition R0
● Beiträge der galaktischen Komponenten
● Modell des Halos
– Verbesserung durch Berücksichtigung von:
● Energieabhängigkeit des Wirkungsquerschnitts
● Schwellenenergie des Detektors
● Geschwindigkeitsverteilung der WIMP's
● Erdbewegung relativ zum Halo
Direkte Suche
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Bestimmung des Wirkungsquerschnittes:
– berechnen der Wechselwirkung von WIMPs mit Quarks und
Gluonen
– dieses auf Nukleonen übertragen
– die Wellenfunktion des Kerns verwenden, um den
Wirkungsquerschnitt des WIMP-Kerns in Abhängigkeit vom
übertragenen Impuls zu erhalten.
– Vereinfachung, da WIMPs nichtrelativistisch sind in eine
spinabhängigen und einen skalaren Anteil.
=> Berechnung ist sehr kompliziert
Typische theoretische Werte
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Rückstoßenergien:
– WIMP mit Geschwindigkeit v = 270 km/s
– WIMP-Masse: 20-400 GeV
– Streukernmasse: 1-200 GeV
=> Energieübertrag Q = 1-100 keV bei einer Rate zwischen 10^-4 und
1 Ereignissen pro Tag und kg
Dieser kleine Energieübertrag macht deutlich, dass der Untergrund
einen großen Anteil an der Messung haben kann.
Untergrund:
– kosmische Strahlung erzeugt bereits >100 Ereignisse/d/kg
=> Untergrundexperimente in Tunneln
– natürliche Radioaktivität aus den Wänden erzeugt Neutronen und
Gammas
– Radioaktivität der Detektormaterialien
=> Gute Abschirmung, sehr reine Detektormaterialien
große experimentatorische Herausforderung
XENON 10 – Die Idee
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flüssiges Xenon, im Betrieb als 2-Phasen Detektor mit flüssiger und
gasförmiger Phase
Vorteile:
– großes Detektorvolumen (10kg-100kg-1000kg)
– Teilchenidentifikation: Ladung und Szintillation
g te Diskriminierung von Kern- zu Elektronstreuung möglich
– großes A(~131): spinunabhängige Wechselwirkung sehr groß
– Zusammensetzung aus Istotopen mit A=129 und A=131 ~ 50%
Zwei unterschiedliche Spins gut für spinabhängige Wechselwirkung
– keine langlebigen radioaktiven Istope Kr85 << 1ppt
– hohe Bremsfähigkeit, Selbstabschirmung
– Temperatur von ca. -100°C ist „leicht“ zu halten.
– effizientes Szintillationsmaterial (80% NaI)
XENON10 – Der Aufbau
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41 Photomultiplier (PMT) oben im
Xenon-Gas
Anoden-Gitter Anordnung zur
Beschleunigung und zur
Felderzeugung im flüssigen Xenon
Ausserdem Drähte zur Formung des
Feldes
22kg flüssiges Xenon LXe, davon ca.
15kg aktiv genutzt, der Rest dient der
Abschirmung
Kathode
48 PMTs im flüssigen Xenon
XENON10 – Der Aufbau
Signalerzeugung
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WIMP streut elastisch an Xe
Xe wird angeregt und ionisiert
Verhältnis Anregung/Ionisation
ist proportional zu dE/dx
Über dies Verhältnis werden
Gammas von WIMPs
unterschieden.
Kernrückstöße: hohe
Rekombination
Elektronrückstoß: geringe
Rekombination
=> Ionisation/Szintillation ist für
Kernrückstöße kleiner
x
Signalerzeugung Diskriminierung
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WIMP tritt in Detektor ein
Ionisation und Anregung Xe
Licht aus Anregung wird als S1 erkannt
Elektronen werden gedriftet durch Feld
E_D
starkes Feld E_ext extrahiert Elektronen in
Gasphase
Kollision mit Gasförmigem Xe
proportionales Licht „Elektrolumineszenz“
Typisches Ereigniss mit
niedriger Energie
Kalibration
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Gamma-Kalibration:
– Bestrahlung mit einer Cs137
Probe
=> Definition des ER-Bands
Neutronen-Kalibration:
– Bestrahlung mit AmBe Probe
=> Definition des NR-Bandes
Energiefenster durch
– Detektorschwelle (4,4keV)
– Abschneiden hoher Energien
(26,9keV)
Untergrund
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Erzeugt durch:
– kosmische Myonen
– Radon
– vor allem aus den
verwendeten Materialien
unterirdisches Experiment
1400m Stein = 3800 m.w.e
=>Reduktion der Myonen um
den Faktor 6000
zur weiteren Reduzierung:
– Xe als passives Schild
– aktives Xe-Veto
– untersucht wird nur ein
kleines Volumen
Erste Daten
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1. Messzeitraum mit Datennahme
58,6 Tage
WIMP-Box definiert bei 50%
Akzeptanz von NR (blau)
– 99,5% von ER werden
unterdrückt
Einzelne Ereignisse werden
genau angeschaut.
(3,4,5,7,9) sind verträglich mit der
Gaussverteilung des ER-Bandes
(1) ist zu erklären durch
Rauschen
(2,6,8,10) bleiben als mögliche
WIMPs
Räumliche Betrachtung
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Für die übrigen Ergebnisse
betrachtet man die räumliche
Auflösung.
(2,6,8,10) liegen am unteren
Rand
– Randeffekte
– Doppelstreuung, zweite
Streuung außerhalb des
aktiven Xenons, also kein S2
Signal
Vergleich der Daten
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spinunabhängiger
Wirkungsquerschnitt für ein WIMP
mit einer Masse von 100GeV ist
kleiner als
– 9,0 * 10^(-44)cm² ohne BG
– 4,4 * 10^(-44)cm² mit BG
Um Faktor 6 besser als bisherige
Ergebnisse
Deckt dennoch nur einen
Bruchteil der theoretischen
Vorhersagen ab.
=> Bessere Experimente dringend
nötig!
Aktuell - XENON100
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Aufbau und Funktionsweise ähnlich wie
Xenon10
Verbesserungen:
– 170kg LXe, davon 70kg target
– insgesamt 242 PMT's
– doppelwandiger Kryostat aus Edelstahl
– kurze Kabelwege innerhalb des Schildes
– neue Materialuntersuchungseinheit
– verbesserte Ausleseelektronik > 60Hz
(Xe10 < 5Hz)
Zeitplan:
– Jan 08: Verbesserung des Schildes
– Feb 08: Detektor kommt in das Schild
– März 08: Erste Befüllung mit Xenon
– seitdem: Reinigung des Xenon mit
Aktivkohlefiltern bis zur ppb Reinheit
– Aug-Sept 08: Erste Testtage
Erwartung: Wirkungsquerschnitt 2*10^-45 cm²
Ausblick - XENON1t
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10 XENON100 Module = 1000kg
Aktives LXe
< 10 Ereignisse/kg/jahr
Wirkungsquerschnitt für WIMPs mit
Masse > 50 GeV ~10^-46 cm²
erste Monte-Carlo-Simulationen des
Detektors werden derzeit durchgeführt.
ab Herbst 2008 wird mit dem Aufbau
begonnen.
zwischen 2009 und 2012 wird mit der
Fertigstellung gerechnet.
Zeitplan
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2004-2005: BabyXe, erste
XeTPC mit 100g aktivem Xe
2005: Xenon1 1kg aktives Xenon
2006: Xenon3 und beginn der
Simulationen und des
Aufbaus für Xenon10
Oktober 2006- Februar 2007:
Xenon10 nimmt Daten.
Ende 2006: Beginn der Planung
und Simulationen von
Xenon100
April 2007: Auswertung der
Daten Xenon100
Dezember 2007:
Veröffentlichung der ersten
Ergebnisse von Xenon10
(Spin-unabhängiger
Wirkungsquerschnitt)
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Mai 2008: Veröffentlichung zum
Spinabhängigem
Wirkungsquerschnitt
August 2008: Xenon100 geht in
Betrieb
Herbst 2008-Anfang 2009: Erste
Ergebnisse Xenon100
2009-2010 Aufbau der nächsten
Xenon100 Module für
Xenon1t
2011-2012: Fertigstellung und
Ergebnisse von Xenon1t
Quellen
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http://xenon.astro.columbia.edu
http://www-ekp.physik.uni-karlsruhe.de/~deboer/
http://www-ik.fzk.de/~drexlin/
http://dmtools.brown.edu
http://xenon.brown.edu/
http://www.physik.uzh.ch/groups/groupbaudis/xenon/
http://accms04.physik.rwth-aachen.de/~schael/Seminar
%20SS07_files/2007_07_02_lennarz_vortrag.pdf
http://uk.arxiv.org/abs/0805.2939v1
http://arxiv.org/abs/0706.0039
http://uk.arxiv.org/abs/astro-ph/0609714v1
http://de.arxiv.org/abs/astro-ph/0703183v1
http://www-zeuthen.desy.de/~kolanosk/astro0506/skripte/