Suche nach leichter dunkler Materie mit Quantendetektoren

Anhand von Astrophysikalischen Beobachtungen lässt sich mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit sagen, dass lediglich 37% der existierenden Materie in unserem Universum sichtbar sind. Der weitaus größere Teil besteht aus nicht sichtbarer, dunkler Materie, Teilchen die also nicht mit Licht wechselwirken. Aufbauend auf weiteren Beobachtungen kann darauf geschlossen werden, dass Materie in dieser Form in der gesamten Milchstraße und damit auch in unserem Sonnensystem vorhanden ist. Das bedeutet, dass dunkle Materie Teilchen auch auf der Erdoberfläche nachgewiesen und charakterisiert werden können. Dieses Vorhaben stellt eines der großen Probleme der modernen Teilchenphysik dar. Die meisten vorhandenen Experimente konzentrierten sich auf die Suche nach schweren dunkle Materie Teilchen. Für diesen Zweck wurde die Wechselwirkung derartiger Teilchen mit bspw. mehreren 1000 kg Flüssiggas studiert. Nichts desto trotz konnten bis jetzt nur möglicheMassebereiche ausgeschlossenwerden. Darüberhinaus wurden einige der zugrundeliegenden Modelle aus der theoretischen Physik durch aktuelle Beschleunigerexperimente widerlegt. Aus diesen Gründen stößt die Suche nach leichten dunkle Materie Teilchen aktuell auf ein verstärktes Interesse. Umso leichter solche Teilchen sind, desto mehr von ihnen müssen vorhanden sein. Dies hat zur Folge, dass schon Detektoren mit vergleichsweise geringen Massen von wenigen kg ausreichen, um Wechselwirkungen mit derartigen Teilchen festzustellen. Um dies zu bewerkstelligen, schlagen wir den Einsatz von hochspezialisierten, rauscharmen Siliziumdetektoren vor. Mögliche Wechselwirkungsprozesse von dunkler Materie könnten einige wenige Elektronen anregen. Um dieses ausgesprochen kleine Signal nachzuweisen, muss der Detektor ein Rauschen weit unterhalb eines Elektrons aufweisen. Die Entwicklung und der Betrieb derart rauscharmer Instrumente benötigen umfassende Studien und Vorbereitungen. Beispielsweise müssen Hintergrundereignisse aufgrund von Verunreinigungen aber auch thermisch angeregter Elektronen verstanden und soweit möglich in einen weiterentwickelten Detektor reduziert werden, um den Grundstein für weitere Fortschritte in der Suche nach Dunkler Materie zu legen.

Trotz des ständigen Fortschritts der Wissenschaft ist die genaue Zusammensetzung unseres Universums in weiten Teilen ein Rätsel. Durch die Beobachtung großer Himmelsstrukturen, wie Galaxien oder Anhäufungen von Galaxien und die Modellierung ihrer Entstehung können wir auf die Menge von vorhandener Materie schließen. Bis zu dreißig Prozent dieser Materie ist jedoch nicht sichtbar. Um die Eigenschaften und die Natur dieser dunklen Materie zu erforschen ist also ihr direkter Nachweis mittels hoch sensitiver Experimente notwendig. Nachdem in den letzten Jahrzehnten die Suche nach schweren dunklen Materie Teilchen kein eindeutiges Ergebnis gebracht hat, haben sich aktuelle Experimente vermehrt auf die Suche nach mögliche dunkle Materie Teilchen mit geringerer Masse begeben. Dieser Ansatz hat zwei weitreichende Folgen. Zum einen sind solche Teilchen nicht mehr schwer genug um ein messbares Signal durch die Wechselwirkung mit massiven Atomkernen zu erzeugen, so dass nun der Streuprozess an leichten Elektronen untersucht wird. Zum anderen wird eine erhöhte Häufigkeit solcher Prozesse erwartet, da die Dichte der dunklen Materie bekannt ist und leichtere Teilchen entsprechend häufiger vorkommen müssen. Aufgrund beider Aspekte ist der Einsatz von Halbleiterdetektoren, welche präzise genug sind Signale von einzelnen Elektronen zu messen aber nur in vergleichsweiser geringer Masse aufgebaut werden können, von zunehmendem Interesse. Eine vielversprechende Technologie dafür bilden RNDR-DEPFET Detektoren. Die hohe Genauigkeit wird bei diesen Detektoren durch die wiederholte Auslese von ein und desselben Signals erreicht, so dass das Rauschen der Gesamtmessung mit jeder zusätzlichen Auslese reduziert wird. Die Sensoren werden in einem wissenschaftlichen Umfeld durch das Halbleiterlabor der Max-Planck-Gesellschaft gefertigt und innerhalb dieses Projektes zu Detektoren zusammengebaut und auf ihre Eignung zum Nachweis dunkler Materie untersucht. Nachdem durch unser Projekt die Fähigkeit dieser Detektoren einzelne Elektronen zu vermessen für einen Detektor mit mehreren tausend Pixeln an einem experimentellen Aufbau nachgewiesen wurde, konnten wir eine Software zur Datenanalyse entwickeln, mittels welcher diese Messung mit einer Genauigkeit im Bereich einer 10.000tel Sekunde erfolgen kann. Durch diese hohe Zeitauflösung wird die Wahrscheinlichkeit das zwei einzelne Elektronen innerhalb einer Auslese gesammelt werden signifikant reduziert. Da das Rauschen einer Messung mit der Größe der ausgelesenen, empfindlichen Masse ansteigt, das Signal aber stets konstant ist, wird die Empfindlichkeit der Messung oder das Signal-zu-Rausch Verhältnis durch den Einsatz vieler kleiner Pixel in ähnlicher Weise erhöht. Durch unser Projekt konnten wir also die Sensitivität dieser Experimente für die zukünftige Suche nach dunkler Materie deutlich erhöhen.