Forschungszentrum Karlsruhe in der Helmholtz-Gemeinschaft

1. Forschungszentrum Karlsruhein 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

2. 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

3. Direkte Nachweismethode der WIMPs χ(WIMP) • 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 Ereignisz.B. Wärme(Phononen) & Ionisation/Szintillation Quenching  Particle ID • Alternativ:DAMA: jährliche Modulation des WIMP- Signals Markus Horn: Direkte Suche nach DM: EDELWEISS-II

4. Das EDELWEISS-Experiment im Untergrundlabor Modane  Italien Fréjus Autotunnel Frankreich CEA-Saclay DAPNIA and DRECAM CRTBT GrenobleCSNSM Orsay IAP ParisLaboratoire 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

5. Kryogene Ionisations-Wärmedetektoren Thermistor (NTD Ge) Wärme • Simultane Messung des Ladungs- und Wärmesignalsbei jedem Ereignis • Unterschiedliche Ladungen/Wärmeverhältnisse bei Elektronen- und Kernrück-stößen (γs, βs ionisieren stärker als WIMPs und Neutronen) Elektroden (Charge collection) Ionisations-schwelle (3.5 keV) Ge Kristall, T~20mK Ionisation Neutronen 73Ge(n,n’γ) Gammas ‘event by event’ Diskriminierung Markus Horn: Direkte Suche nach DM: EDELWEISS-II

6. 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 EDELWEISS-I: “1kg” - Stufe PRELIMINARY Dilution-Kryostat(Betriebstemp. ~15 mK) Archäologisches Blei 3×320g Detektoren Markus Horn: Direkte Suche nach DM: EDELWEISS-II

7. 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

8. 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 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

9. EDELWEISS-II Abschirmungsstrategie • 100m2 Plastikszintillatoren, 42 Bicron BC 412 Module Effizienz der µ-Detektionε ≥ 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

10. EDELWEISS-II Myon-Veto Markus Horn: Direkte Suche nach DM: EDELWEISS-II

11. Tasks: Implementierung der Energie und Winkel- verteilung des Myonflusses im Untergrundlabor (Geometrie Fréjus) DIS hochenergetischer Myonenmit 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 EDELWEISS Geant4 – Untergrundsimulationen Markus Horn: Direkte Suche nach DM: EDELWEISS-II

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

13. 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

14. 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. Ausblick Markus Horn: Direkte Suche nach DM: EDELWEISS-II