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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
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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.)
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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 Ereignisz.B. Wärme(Phononen) & Ionisation/Szintillation Quenching Particle ID
p22 σμAσ
p2σ1)μJ(Jσ
Alternativ:
DAMA: jährliche Modulation des WIMP- Signals
χ(WIMP)
horn-m
A = target atomic masssigma_p = Wimp-protonmu = reduzierte Masse
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Das EDELWEISS-Experiment im Untergrundlabor Modane
CEA-Saclay DAPNIA and DRECAMCRTBT GrenobleCSNSM OrsayIAP ParisLaboratoire Souterrain de Modane (Fréjus)IPN LyonForschungszentrum KarlsruheUniversität Karlsruhe
NEMO III
EDELWEISS I & II
Halle
Italien Fréjus Autotunnel Frankreich
Fréjus Untergrundlabor
• 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)
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Kryogene Ionisations-Wärmedetektoren
• Simultane Messung des Ladungs- und Wärmesignalsbei jedem Ereignis
• Unterschiedliche Ladungen/Wärmeverhältnisse bei Elektronen- und Kernrück-stößen (γs, βs ionisieren stärker als WIMPs und Neutronen)
WärmeWärme
IonisationIonisation
ThermistorThermistor (NTD Ge)(NTD Ge)
Ge Kristall, T~20mKGe Kristall, T~20mK
Elektroden Elektroden (Charge (Charge collection)collection)
‘event by event’ Diskriminierung
Neutronen 73Ge(n,n’γ) Gammas
Ionisations-schwelle (3.5 keV)
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EDELWEISS-I: “1kg” - Stufe
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
Dilution-Kryostat(Betriebstemp.
~15 mK)
PRELIMINARY
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EDELWEISS-I: experimentelle Spektren
• Niederenergetisches Spektrum nicht konsistent mit WIMP-Massen
≥ 20GeVMöglicher Untergrund:– Neutronen,– Oberflächenereignisse
(unvollständige Ladungssammlung)
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EDELWEISS-II: Ausblick
•1. Phase: 21×320g Ge/NTD Thermistoren 7 ×200g Ge/NbSi ‘thin film sensors’
•Ziel: Sensitivitätssteigerung um Faktor ×100
EDWI (1kg) EDWII (40kg) ’total exposure’ ×100
Neutronenuntergrund (Erecoil > 30 keV)
Hauptuntergrundquelle: Myon-induzierte Neutronen in der Abschirmung (&umgeb. Gestein)
EDW-I EDW-II
0.5 evt(30.5 kg ×d)
50 evts(3000 kg ×d)
Myon-Veto-Zähler
Sensitivity goal EDW-II
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PM 2“ XP 2262(Photonics)
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 -Veto
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EDELWEISS-II Myon-Veto
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EDELWEISS Geant4 – Untergrundsimulationen
Tasks:1. Implementierung der Energie und Winkel-
verteilung des Myonflusses im Untergrundlabor (Geometrie Fréjus)
2. DIS hochenergetischer Myonenmit Detektormaterial & umgeb. Gestein
3. Neutronenproduktion und Neutronen- wechselwirkung innerhalb des Detektors
4. Vergleich Geant4 mit anderen Simulations- paketen (FLUKA, MCNP, etc.)
Vergleich der Untergrund-simulationen mit experimentellen Daten
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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
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Status Geant4 Simulationen
• einfache Geometrie des Myon-Vetos
• GPS (G4GeneralParticleSource): Histogrammbasierte Energie- und Winkelverteilung
• AIDA-Analyse und JAS3 Datenanalyse ok
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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.