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Experimente zum Experimente zum Nachweis der Nachweis der

dunklen Materiedunklen MaterieScheinseminar Astro- und Scheinseminar Astro- und

Teilchenphysik WS 2003/04Teilchenphysik WS 2003/04

Vortragender: Markus StöhrVortragender: Markus Stöhr

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AxionenAxionen SUSY WIMPs (z.b. SUSY WIMPs (z.b.

Neutralinos)Neutralinos) Neutrinos Neutrinos

Was könnte DM sein?

nicht-Baryonische DM

Baryonische DM Gas MACHOs

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WIMPsWIMPs

Kandidaten: neutrale Superpartner Kandidaten: neutrale Superpartner der gewöhnlichen Materie im SUSY-der gewöhnlichen Materie im SUSY-ModellModell

Hauptaugenmerk liegt auf dem Hauptaugenmerk liegt auf dem leichtesten Neutralino das in der leichtesten Neutralino das in der einfachst möglichen Realisation des einfachst möglichen Realisation des SUSY gegeben ist. (LSP)SUSY gegeben ist. (LSP)

Neutralino als Linearkombination Neutralino als Linearkombination aus Wino, Bino und 2 Higgsinosaus Wino, Bino und 2 Higgsinos

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Parameterscan des Parameterscan des MSSM MSSM

1 gilt für eine großen Teil der Parameter, aber es sind auch 1 möglich, was inkonsistent mit den Beobachtungen ist.

•Masse ungleich null

•Richtige Restmenge im Universum

•Ladung Null

•Schwache Wechselwirkung mit (gewöhnlicher)Materie

Minimalanforderungen an DM-Teilchen

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Einschränkungen für Einschränkungen für WIMPsWIMPs

KosmologieKosmologie

Dichte: 0.1 < Dichte: 0.1 < ΩΩdm dm hh22 < 0.3< 0.3

Beschleunigerexperimente (LEP)Beschleunigerexperimente (LEP)

Masse der Wimps: mMasse der Wimps: mχχ > 51 GeV > 51 GeV

tan tan ββ > 2.2 > 2.2

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Wie Detektieren?Wie Detektieren?

Direkte Suche Direkte Suche Indirekte SucheIndirekte Suche Sehr geringer Sehr geringer

WirkungsquerscWirkungsquerschitthitt

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Direkte SucheDirekte Suche

WW-Rate hängt von Art des Targets WW-Rate hängt von Art des Targets und der beobachteten WW abund der beobachteten WW ab

Energieübertrag von 1-100 keV, nur Energieübertrag von 1-100 keV, nur ein Bruchteil davon wird sichtbar ein Bruchteil davon wird sichtbar (quenching)(quenching)

Nur sehr wenige Ereignisse werden Nur sehr wenige Ereignisse werden beobachtetbeobachtet

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Probleme bei direkter Probleme bei direkter SucheSuche

Wie groß ist die Wie groß ist die erwartete Zählrate?erwartete Zählrate?

UntergrundstrahlunUntergrundstrahlung großes Problem g großes Problem (Diskrimination)(Diskrimination)

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WirkungsquerschnittWirkungsquerschnitt

Differentieller WirkungsquerschnittDifferentieller Wirkungsquerschnitt

(Punkt-) Wirkungsquerschnitt für (Punkt-) Wirkungsquerschnitt für Protonen und Neutronen:Protonen und Neutronen:

)()1(8)()(2

),(

2222

2

2

RSDRSInpNF

SDRSIRR

R

EFJJEFgZAZgv

mG

dE

d

dE

dEv

dE

d

2,

2),(

2,

4npnpWF

SInp gmG

2

,2

),(2

, 4

332npnpWF

SDnp amG

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ZählrateZählrate

Theoretische Theoretische differentielle differentielle Zählrate:Zählrate:

AusschlusskriteriuAusschlusskriterium:m:

SIN

E

Th

VIS

FMm

Mm

vQ

N

dE

dR 23

214

4

)(1076.7

exp

UppBoundVIS

Th

VIS dE

dR

dE

dR

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AusschlußplotAusschlußplot

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IdentifikationIdentifikation Maximale Maximale

UntergrundreduktioUntergrundreduktionn

Suche nach Suche nach Asymmetrien im Asymmetrien im WimpsignalWimpsignal

1. Korrelation der Rückstossrichtung mit v(Erde)

2. Tägliche Modulation

3. jährliche Modulation

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Jährliche ModulationJährliche Modulation

erwartete Modulation liegt bei 7% unterschied zwischen Maximum und Minimum

gute Abschirmung notwendig

signatur: BttSStS m )(cos)( 00

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Wo/Wie den Versuch Wo/Wie den Versuch aufbauen?aufbauen?

Ort tief unter der Erde (minimieren der kosm. Strahlung) Abschirmung gegen EM-Strahlung und

Neutronenuntergrund Materialien des Aufbaus sollen möglichst geringen Gehalt

an radioaktiven Isotopen enhalten. Hauptaugenmerk liegt auf Reduktion von U238, Th232 und K40

Entferne Radon sehr effektiv „Saubere“ arbeitsweise Messapparatur muss die erforderliche Genauigkeit und

Konstanz erreichen

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UntergrundUntergrund

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DetektortypenDetektortypen

Germanium NaI Szintillatoren Xe Szintillatoren Time projection chambers Metastabile Teilchen detektoren

(superheated drop detectors, superconducting superheated grains)

Glimmer Bolometer

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UntergrundlaboratorienUntergrundlaboratorien

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DAMA DAMA (particle DArk MAtter searches with (particle DArk MAtter searches with

highly highly radiopure scintillators at Gran Sasso)radiopure scintillators at Gran Sasso)

verschiedene Versuche, für die speziell schwach radioaktive Szintillatoren entwickelt wurden

NaI, flüssiges Xe, R&D, LIBRA Nachweis der jährlichen Modulation

durch DAMA/NaI? Ergebnisse aber im Widerspruch zu

anderen Experimenten In Gran Sasso aufgebaut

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DAMA/NaIDAMA/NaI

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DAMA/NaI: DAMA/NaI: Vor-/NachteileVor-/Nachteile

bekannte Technologie geringe Kosten grosse Masse auch Spinabhaengige

Wechselwirkung

Keine Untergrunddiskrimination

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DAMA/NaI: ErgebnisseDAMA/NaI: Ergebnisse

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DAMA/NaI: DAMA/NaI: FehlerquellenFehlerquellen

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CDMS I/II CDMS I/II ((Cryogenic Dark Cryogenic Dark Matter Search)Matter Search)

CDMS I an der Stanford University, ca. 10 m unter der Erde

CDMS II in einer Mine (Soudan Mine) in der Nähe von Minnesota, Tiefe: eine halbe Meile, Gestein sehr arm an radioaktiven Isotopen

cryogenic: Messung der totalen Rückstoßenergie mit thermischen Detektoren; dabei gibt es sehr kleine Änderungen der Temperatur.

2 Detektortypen: BLIP (Berkeley Large Ionization- and Phonon-mediated detector) und ZIP (Z-sensitive Ionization and Phonon-mediated detector)

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CDMS: BLIP-DetektorCDMS: BLIP-Detektor Zylindrischer Ge

Einkristall, hoher Reinheit, undotiert, 165g

2 NTD Ge Thermistoren messen die Temperaturänderung durch Phononenerzeugung

Messung der Ionisationsladung durch anlegen einer Spannung an den Elektroden auf der Ober- und Unterseite

Inner Ionization Electrode

Outer IonizationElectrode

Passive Ge shielding

(NTD-Ge thermistors on underside)

Tower• Wiring• heat sinking• holds cold FETs for

amplifiers

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CDMS: ZIP-DetektorCDMS: ZIP-Detektor

Detektieren von athermischen Phononen, um die Produktionsrate und gleichzeitig die xy-Position für jedes Ereignis zu bestimmen

hochreines, einkristallines Si, 100 g

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CDMS: MeßschemaCDMS: Meßschema

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CDMS: Aufbau (CDMS I)CDMS: Aufbau (CDMS I)

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CDMS: Was sieht man CDMS: Was sieht man bei der Messung?bei der Messung?

a) Elektronenquelle b) Neutronenquelle

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CDMS: ErgebnisseCDMS: Ergebnisse

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CDMS: ErgebnisseCDMS: Ergebnisse

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Vergleich CDMS/DAMAVergleich CDMS/DAMA

Bester gleichzeitiger Fit, sagt Bester gleichzeitiger Fit, sagt zu kleine Modulation bei zu kleine Modulation bei DAMA voraus, bzw. zu DAMA voraus, bzw. zu wenige Ereignisse bei CDMSwenige Ereignisse bei CDMS

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CRESST I: DetektorCRESST I: Detektor1. Wolframthermometer

2. Halte Block mit Schraubenkontakt

3. Plastikfedern

4. Saphirkristall

5. Plastik-/Saphirbälle zur Lagerung

6. Halteblöcke mit Schraubenkontakten zu den Squids

Cryogenic Rare Event Searching using Superconducting Thermometers

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CRESST: ErgebnisseCRESST: Ergebnisse

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CRESST IICRESST II

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EDELWEISS: Aufbau EDELWEISS: Aufbau

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EDELWEISS: EDELWEISS: DiskriminationDiskrimination

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EDELWEISS IIEDELWEISS II

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FazitFazit

Untergrundreduktion sehr wichtigUntergrundreduktion sehr wichtig AbschirmungAbschirmung Diskriminierung der SignaleDiskriminierung der Signale

Endgültiger Nachweis erfordert Endgültiger Nachweis erfordert Messung der jährliche ModulationMessung der jährliche Modulation

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LiteraturLiteratur Axionen-Übersicht: Phys. Rep. 325 (2000) 1-Axionen-Übersicht: Phys. Rep. 325 (2000) 1-

3939 WIMP-Übersicht: WIMP-Übersicht:

Experimental Searches for Non-Baryonic Dark Experimental Searches for Non-Baryonic Dark Matter: WIMP Direct Detection astro-ph/0112550 Matter: WIMP Direct Detection astro-ph/0112550 27. Dez 200127. Dez 2001

Supersymmetric DM:Phys. Rep. 267 (1996) 195-Supersymmetric DM:Phys. Rep. 267 (1996) 195-373373

DAMA: Riv. N. Cim. 26 n.1 (2003) 1-73DAMA: Riv. N. Cim. 26 n.1 (2003) 1-73 CDMS: astro-ph-0203500 v3 16.Aug 2002CDMS: astro-ph-0203500 v3 16.Aug 2002 EDELWEISS: astro-ph/0206271 v1 17 EDELWEISS: astro-ph/0206271 v1 17

Jun2002Jun2002