Simulation für die Entwicklung von Detektoren für die direkte Suche nach dunkler Materie

Über 80% der gesamten im Universum vorhandenen Materie leuchtet nicht, die sogenannte dunkle Materie. Durch die Einführung eines neuen Teilchens, welches über die Gravitation hinaus höchstens schwach mit der bekannten Materie in Beziehung tritt, könnte die fehlende Materie erklärt werden. Die Vorhersagen für die Masse dieses Teilchens umspannt mehrere Grössenordnungen. In letzter Zeit haben Modelle, die eine starke Kraft zwischen dunkle Materie Teilchen vorhersagt, starkes Interesse erweckt, da sie einige ungelöste astrophysikalische Probleme lösen können. Der Massenbereich dieser stark wechselwirkenden dunkle Materie Teilchen liegt zwischen wenigen MeV und einigen GeV. Das CRESST-Experiment, dass momentan am Gran Sasso Labor in Italien betrieben wird, ist ein für die Suche nach der dunklen Materie optimiertes Experiment, dass nach Streuungen von dunkle Materie Teilchen mit herkömmlicher Materie sucht. Die Energie des Streuprozesses wird in Gitteranregungen des Detektorkristalls umgewandelt, den sogenannten Phononen, und anschliessend mit einem Sensor an der Sprungtemperatur ausgelesen. Mit den bisher von CRESST gesammelten Daten konnte bisher kein Signal beobachtet worden, jedoch sind die Ausschlussgrenzen für dunkle Materie Kandidaten mit einer Masse von weniger als 2 GeV die besten unter den Experimenten zur direkten Suche nach dunkler Materie. Um die Sensitivität zu kleineren Massen und kleineren Wirkungsquerschnitten weiter zu verbessern, muss die Nachweisschwelle und die intrinsische Radioaktivität reduziert werden. Ein sehr gutes Verständnis der intrinsischen Radioaktivität ist dabei wesentlich für den Erfolg des Experiments. Die intrinsische Radioaktivität in der Signalregion kann mit Hilfe einer speziellen Simulationssoftware, mit der gemessenen Aktivität von alpha-Zerfällen als Eingangsparameter, abgeschätzt werden. Die Simulation liefert Informationen über die Grösse und die Art der möglichen Untergrundbeiträge und ist daher ein zentraler Input zum Design für die nächste Generation von Experimenten zur Suche nach der dunklen Materie. Zusätzlich wird ein neues Simulationspaket entwickelt, dass den Nachweis der im Streuprozess produzierten Phononen modellieren kann.

Das wichtigste Ergebnis war die Entwicklung des GEANT4-basierten Simulationsframeworks ImpCRESST und dessen Anwendung auf ein CRESST-Detektormodul. Für CRESST war zuvor kein Simulationsrahmen verfügbar, und das neue Tool ermöglicht erstmals Schätzungen des radiogenen Hintergrunds aus internen und externen Hintergrundquellen. Die Schätzungen werden für das zu diesem Zeitpunkt am besten untersuchte Detektormodul mit einer Energiedetektionsschwelle von 604+-2 eV generiert. Energiespektren von identifizierten radioaktiven Isotopen werden mit GEANT4 simuliert und unter der Annahme eines säkularen Gleichgewichts auf die Vorläufer-Alpha-Zerfälle normalisiert. Mit diesem datengesteuerten Ansatz kann der Hintergrundinhalt in der interessierenden Region (ROI) mithilfe von hochenergetischen Alpha-Spektralanalysesignalen bewertet werden. Die Simulation kann die Daten im ROI nicht vollständig reproduzieren, und wegen des unbekannten Anstiegs in Richtung der Schwelle wurde der Energiebereich von 1 bis 40 keV genommen. Im ROI lassen sich 68+-16% der Ereignisse durch bekannte radioaktive Zerfälle erklären. Allerdings steigt der Hintergrund unter dem ROI kann durch die Simulation nicht reproduziert werden. Dieser ansteigende Untergrund bei niedrigen Energien wurde später auch bei CRESST mit unterschiedlichen Detektorgeometrien beobachtet und genauere Untersuchungen sind zentraler Bestandteil der gerade begonnenen zweiten Förderperiode des SFB. Das oben beschriebene Verfahren beruht stark auf der Bestimmung der im MeV-Energiebereich gemessenen Alpha-Aktivität. Mit der Hinwendung zu kleineren Nachweisschwellen wird die Energiemessung der Alpha-Zerfälle in den Sättigungsbereich der Energiemessung verschoben und die Aktivitätsmessung muss angepasst werden. Verschiedene Ansätze, wie ein verkürzter Fit oder ein wahrscheinlichkeitsbasiertes Verfahren, werden derzeit untersucht. Das ImpCRESST-Framework wurde ursprünglich nur für die Anwendung am CRESST-Experiment entwickelt. Inzwischen sind zwei neue Experimente auf Basis der gleichen Kryotechnik genehmigt und im Bau. Die Gruppe am HEPHY erweiterte mit der während der ersten SFB-Förderperiode aufgebauten Expertise das bestehende Forschungsprofil auf diese neuen Experimente und lieferte wertvolle Beiträge für das Design und den Bau des neuen Experiments. Das ImpCRESST-Simulationspaket befindet sich noch in der Entwicklung, einschließlich einer geplanten öffentlichen Veröffentlichung und einer begleitenden Veröffentlichung während der derzeit laufenden Förderperiode. Der Aufbau einer Datenbank der Screening-Ergebnisse für im Experiment verwendete Materialien ist ebenfalls von großer Bedeutung für die zukünftige Durchführung des Experiments. Dies umfasst den Betrieb der Datenbank und die Durchführung der Screening-Messung zur Bestimmung der radiogenen Aktivität.