Suche nach Dunkler Materie mit dem XENON-Experiment

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

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

3. 1 – Dunkle Materie Dunkle Materie Warum Materie? • Beobachtbare Materie reicht nicht aus • Rotationskurven von Galaxien • Gravitationslinsen • Millenium Simulation [www.astro-photography.net \ www.universetoday.com;\ www.forum.celestialmatters.org]

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

5. 1 – Dunkle Materie Natur der dunklen Materie?

6. 1 – Dunkle Materie Erhitzte Gemüter DAMA/LIBRA Hat dieses Ergebnis nicht verifizieren können! CDMS XENON (erste Versuche) CoGeNT [http://www.sciencenews.org/] [arXiv:1106.0650]

7. 1 – Dunkle Materie 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 ~ ~ ~ ~ [http://www.scienceblogs.de]

8. 1 – Dunkle Materie WIMPs • ENuc ≈ 10keV für mWIMP,Nuc ≈ 50 GeV • Rechnungen mit CMSSM führen zu σ/m Abschätzung • Vglσυ ,Nuc ≈ 10-39 cm² • < 1 Event pro 100kg und Tag [arXiv 1011.3532v1]

9. 2 – LXe-Detektor Vorhaben

10. 2 – LXe-Detektor Vorhaben • Ursprung der Szintillation: • Anregung von Atomen • Abregung durch Photoemission • Lichtpulse ~O(ns) • Ionisation: • Ausbeute unabhängig von Art der eintreffenden Strahlung • Ionisationssignal Energie ∝ [http://www.maphi.de/physik/atomphysik/] [https://lp.uni-goettingen.de/get/text/4958]

11. 2 – LXe-Detektor Prinzip Flüssiges Xenon als Detektor

12. 2 – LXe-Detektor Prinzip 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 [http://xenon.physics.rice.edudetector.html]

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

14. 3 – XENON100 Aufbau XENON 100 • 161 kg LXe und Gxe; davon sind ~100 kg Veto • 30,5 cm Durchmesser • 30,6 cm Höhe [xenon.astro.columbia.edu/XENON100_Experiment/]

15. 3 – XENON100 Aufbau XENON 100 • 80 PMTs im unteren Array • 98 PMTs im oberen Array • QE unten 33% (S1) • QE oben 23% (S2) [xenon.astro.columbia.edu/XENON100_Experiment/]

16. 3 – XENON100 Aufbau XENON 100 • 4 Gitter-Elektroden • Drift-Feld: 530 V/cm • (Geschwindigkeit gesättigt) • Hohes Extraktions-Feld [xenon.astro.columbia.edu/XENON100_Experiment/]

17. 3 – XENON100 Aufbau XENON 100 • T=182K • Vgl. Tboil(Xe)≈165,1K • Druck: 2,2 bar [xenon.astro.columbia.edu/XENON100_Experiment/]

18. 3 – XENON100 Passive Abschirmung [xenon.astro.columbia.edu/XENON100_Experiment/] [http://www.stradadeiparchi.it/] [xenon.astro.columbia.edu/presentations/talk-19-tziaferi.pdf]

19. 3 – XENON100 Infos [http://www.lngs.infn.it/lngs_infn/] [http://www1b.physik.rwth-aachen.de/xenon/] [http://www.ilgransasso.com/territorio.html]

20. 3 – XENON100 Herausforderungen! Herausforderungen? Kühlung unproblematisch ‚FriendlyFire‘ • 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

21. 4 – Ergebnisse Kalibration Diskriminierung: Effizienz von >99% [E. Aprile, T. Doke; Rev. Mod. Phys., Vol82, P.2053] [arXiv 1005.0380v3]

22. 4 – Ergebnisse Limit [arXiv 1104.2549v2]

23. 4 – Ergebnisse Messungen Daten von 11,2 Tagen Self-Shielding Fiduzialisa- tion (40kg) Schwelle bei 30 keVnr Rote Stöße interessant [arXiv 1005.0380v3]

24. 4 – Ergebnisse Messungen Daten von 101 Tagen Self-Shielding, Fiduzialisation 3 Events im Detektor Erwartung Untergrund 1,8 ± 0,6 Poisson: Pk=3=28% Keine Be- obachtung [arXiv 1005.0380v3] [arXiv 1104.2549v2]

25. 5 – Ausklang 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 [http://resonaances.blogspot.com/2011/01/another-year.html] [E. Aprile, T. Doke; Rev. Mod. Phys., Vol82, P.2053]

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

27. 5 – Ausklang Dankeschön

28. 6 – Anhang Konkurrenz [arXiv 1106.0650] [SZ] [SCIENCE Vol332 vom 3.6.2011; 1144-1147]

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

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

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

32. 6 – Anhang

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

34. 7– 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 [E. Aprile, T. Doke; Rev. Mod. Phys., Vol82, P.2053]