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

Astroteilchenschule Bärnfels, 11.04.23Markus Horn: Direkte Suche nach DM: EDELWEISS-II

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)

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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.