Suche nach Dunkler Materie mit dem XENON-Experiment - PowerPoint Presentation

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Suche nach Dunkler Materie mit dem XENON-Experiment

Seminar für Astro- und Teilchenphysik

Michael Wagenpfeil

(11. Juli 2011)

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Inhalt:Motivation: Dunkle MaterieIdee eines Flüssig-Xenon-Detektors

Setup XENON100

Ergebnisse

Zusammenfassung

Inhaltsverzeichnis

2

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Warum Materie?1 – Dunkle Materie

3

Dunkle Materie

Rotationskurven von Galaxien

Gravitationslinsen

Millenium

Simulation

Beobachtbare Materie reicht nicht aus

[www.astro-photography.net \

www.universetoday.com;\

www.forum.celestialmatters.org]

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Warum Dunkel?1 – Dunkle Materie

4

Dunkle Materie wechselwirkt nicht (messbar) mit elektromagnetsicher Strahlung

Wie kann man sie denn dann nachweisen?

Beobachtung durch Rückstoß von Atomkernen

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Natur der dunklen Materie?1 – Dunkle Materie

5

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Erhitzte Gemüter

1 – Dunkle Materie

6

DAMA/LIBRA

CDMS

Hat dieses Ergebnis nicht verifizieren können!

XENON

(erste Versuche)

CoGeNT

[arXiv:1106.0650]

[http://www.sciencenews.org/]

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WIMPsR-Paritätserhaltung verhindert Zerfall von SPs zu SM-TeilchenStabiles LSP (

Neutralino

?) muss existieren

Für WIMP

χ kommen H, γ und Z in Frage

1 – Dunkle Materie

7

[http://www.scienceblogs.de]

~

~

~

~

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WIMPs

1 – Dunkle Materie

8

[

arXiv

1011.3532v1]

E

Nuc

≈ 10keV für

m

WIMP,Nuc

≈ 50

GeVRechnungen mit CMSSM führen zu σ/m Abschätzung

Vgl συ ,Nuc ≈ 10-39 cm²< 1 Event pro 100kg und Tag

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Vorhaben2 – LXe

-Detektor

9

Slide10

Vorhaben2 – LXe

-Detektor

10

[http://www.maphi.de/physik/atomphysik/]

Ursprung der Szintillation:

Anregung von Atomen

Abregung

durch

Photoemission

Lichtpulse ~

O

(ns)

[https://lp.uni-goettingen.de/get/text/4958]

Ionisation: Ausbeute unabhängig von Art der eintreffenden Strahlung Ionisationssignal Energie

∝

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Prinzip2 – LXe

-Detektor

11

Flüssiges Xenon als Detektor

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Prinzip2 – LXe

-Detektor

12

[http://xenon.physics.rice.edudetector.html]

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

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Prinzip2 – LXe

-Detektor

13

[E.

Aprile

, T.

Doke

; Rev. Mod. Phys., Vol82, P.2053]

Auflösung in alle Richtungen

O

(1mm)

Detektor registriert zwei Signale

Elektronendrift ~2mm/µs

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Aufbau

3 – XENON100

14

[xenon.astro.columbia.edu/XENON100_Experiment/]

XENON 100

161 kg

LXe

und

Gxe

; davon sind ~100 kg Veto

30,5 cm Durchmesser

30,6 cm Höhe

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Aufbau3 – XENON100

15

[xenon.astro.columbia.edu/XENON100_Experiment/]

XENON 100

80 PMTs im unteren Array

98 PMTs im oberen Array

QE unten 33% (S1)

QE oben 23% (S2)

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Aufbau3 – XENON100

16

[xenon.astro.columbia.edu/XENON100_Experiment/]

XENON 100

4 Gitter-Elektroden

Drift-Feld: 530 V/cm

(Geschwindigkeit gesättigt)

Hohes Extraktions-Feld

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Aufbau3 – XENON100

17

[xenon.astro.columbia.edu/XENON100_Experiment/]

XENON 100

T=182K

Vgl. T

boil

(

Xe

)≈165,1K

Druck: 2,2 bar

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Passive Abschirmung3 – XENON100

18

[http://www.stradadeiparchi.it/]

[xenon.astro.columbia.edu/presentations/talk-19-tziaferi.pdf]

[xenon.astro.columbia.edu/XENON100_Experiment/]

Slide19

Infos3 – XENON100

19

[http://www.lngs.infn.it/lngs_infn/]

[http://www1b.physik.rwth-aachen.de/xenon/]

[http://www.ilgransasso.com/territorio.html]

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Herausforderungen?3 – XENON100

20

Kühlung unproblematisch

Physik des Detektors verstanden

Gute

Abschirmung

Reinheit des

Target-Materials?

ABER

‚

Friendly

Fire

‘

124

Xe (0,1%; t

H

>4,8∙10

16

a)

 ~10 Mio. Zerfälle pro Jahr

136

Xe (8,9%, t

H

>10

22

a)

 ~5000 Zerfälle

c(

Kr

) ~ 150

ppt

(~10

17

Kerne)

85

Kr (Spuren; t

H

=10,756 a)

Radiopurity

(So wenig Krypton und radioaktives Xenon wie möglich)

c(O

2

) < 1ppb

 Probleme bei

Attachment

und Extraktion

Gefäßmaterial und Organische Moleküle

Herausforderungen!

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Kalibration4 – Ergebnisse

21

[E.

Aprile

, T.

Doke

; Rev. Mod. Phys., Vol82, P.2053]

[

arXiv

1005.0380v3]

Diskriminierung:

Effizienz von >99%

Slide22

Limit4 – Ergebnisse

22

[

arXiv

1104.2549v2]

Slide23

4 – Ergebnisse23

Messungen

[

arXiv

1005.0380v3]

Daten von 11,2 Tagen

Self-Shielding

Fiduzialisa

-

tion

(40kg)

Schwelle bei

30

keV

nr

Rote Stöße interessant

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4 – Ergebnisse24

Messungen

[

arXiv

1005.0380v3]

Daten von 101 Tagen

Self-Shielding

,

Fiduzialisation

3 Events im Detektor

[

arXiv

1104.2549v2]

Erwartung Untergrund 1,8 ± 0,6

Poisson

:

P

k

=3

=28%

Keine

Be

-

obachtung

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Aussicht5 – Ausklang

25

[E.

Aprile

, T.

Doke

; Rev. Mod. Phys., Vol82, P.2053]

Erhöhung der Masse auf

m

fiducial

=1000 kg

Gesamtmasse:

2,4 Tonnen

XENON 1t

10 cm

Self-Shielding

Noch bessere

Abschildung

Faktor 100 weniger Untergrund

Sensitivität:

σ

~ 3∙10

-47

cm

2

[http://resonaances.blogspot.com/2011/01/another-year.html]

Geld besorgt

Design abgeschlossen

Timeline

: 2011 - 2015

Slide26

Zusammenfassung5 – Ausklang

26

Dunkle Materie konnte bislang noch nicht beobachtet werden

Detektordesign ist vielversprechend

Modellierte WIMP m/

σ

Bereiche bald großflächig abgedeckt

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Dankeschön5 – Ausklang

27

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Konkurrenz6 – Anhang

28

[

arXiv

1106.0650]

[SZ]

[SCIENCE Vol332 vom 3.6.2011;

1144-1147

]

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Phasendiagramm6 – Anhang

29

[E.

Aprile

, T.

Doke

; Rev. Mod. Phys., Vol82, P.2053]

Slide30

Szintillation Pulsform6 – Anhang

30

[E.

Aprile

, T.

Doke

; Rev. Mod. Phys., Vol82, P.2053]

Slide31

Absorptionskoeffizienten6 – Anhang

31

[E.

Aprile

, T.

Doke

; Rev. Mod. Phys., Vol82, P.2053]

Slide32

6 – Anhang32

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Suche nach Dunkler Materie mit dem XENON-Experiment

Seminar für Astro- und Teilchenphysik

Michael Wagenpfeil

(Nachtrag)

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7 – Nachtrag

34

[E.

Aprile

, T.

Doke

; Rev. Mod. Phys., Vol82, P.2053]

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