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Detector development for dark matter research

Esch, Ernst-Ingo


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Freie Schlagwörter (Deutsch): dark matter , Schwarze Materie
Universität Justus-Liebig-Universität Gießen
Institut: II. Physikalisches Institut und Physics Division Group P-23 of LosAlamos National Laboratory, USA
Fachgebiet: Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 20.09.2001
Erstellungsjahr: 2001
Publikationsdatum: 20.09.2001
Kurzfassung auf Englisch: One of the major questions in modern astrophysics is the dark matter problem. Even though there is little to no doubt that dark
matter exists, it is still not yet known what dark matter is made of. Cosmology provides evidence that the dark matter contains a non-baryonic
component. One possible candidate is the existence of weakly interacting massive particles (WIMPs).


This work describes how WIMPs can be detected and what signal type and range can be expected of them. With the expectable low count
rate of WIMPs it becomes obvious that the main constraint for recording a dark-matter event is the background of the WIMP signature. One
possible detector for such a WIMP experiment can be a lithium drifted silicon detector in which a WIMP interaction generates a nuclear
recoil of a silicon atom which produces a detector signal. Los Alamos National Laboratory (LANL) can potentially get more than 650 lithium
drifted silicon detectors with a mass of 100 grams each. Three prototypes of these detectors have been tested to determine the quality of the
material and to check their intrinsic background. The results of these tests are documented here.


A possible underground laboratory candidate for these measurement is the waste isolation pilot plant (WIPP) near Carlsbad (New Mexico). This
thesis describes the setup of the underground site as well as the background measurements conducted for the gamma and muon
background. Several measurements of the gamma background with different shielding material have been done and the results are
discussed in detail. The results of the gamma measurements show that the gamma background can be reduced by a factor of 927 with the
current shielding material and the underground location.


Since the muons represent the only radiation that cannot be blocked by passive shielding in the underground their flux and induced
background is of high importance to all low background experiments. The muon flux is measured with a quadrupel coincidence scintillator
detector. An estimate for the muon induced background is discussed.
Kurzfassung auf Deutsch: Eines der Hauptprobleme der modernen Astrophysik ist die schwarze Materie. Obwohl die Existenz von schwarzer Materie mittlerweile
allgemein anerkannt wird und selbst die Menge der schwarzen Materie als bekannt gilt (40% +- 10% der Gesamtenergie der Universum),
ist es doch noch immer unklar, woraus die schwarze Materie besteht. Mehrere theoretische Annahmen schließen baryonische Materie aus
und die Astronomie in Kombination mit Supersymmetrie hält eine Teilchenlösung für angebracht. Die im Urknall generierten Teilchen
(weakly interacting massive particles (WIMPs)), so die Theorie, hätten sich aus der Urknallmasse relativ früh entkoppelt und existierten als
Halo in unserer Galaxie und im Universum. Die schwarze Materie formt das schwere Feld im Universum. In dessen Senken befindet sich
die baryonische Masse, die die Sterne und Galaxien bildet.


Die vorliegende Arbeit gibt einen Überblick über Fragen zur Kosmologie, die Theorie der Entstehungsgeschichte des Universums.
Insbesondere werden die Argumentationspunkte für die Existenz schwarzer Materie im Universum dargestellt und die Diskrepanzen im
Modell eines reinen baryonischen Universum gezeigt. Desweiteren werden die zur Zeit gemessenen Massen- und Energieverteilungen im
Universum aufgelistet und die Notwendigkeit für die Existenz von schwarzer Materie gezeigt.


Die Nachweismöglichkeiten für WIMPs werden dargestellt, die Energieverteilung eines nuklearen Rückstoßes wird diskutiert und es wird
gezeigt, welche Eigenschaften ein Detektor zum Nachweis von WIMPs haben muß. Es wird demonstriert, daß die erwartete Zählrate in
einem WIMP Experiment sehr klein ist und das ein genaues Kennen und Unterdrücken des radioaktiven Hintergrunds von größter
Wichtigkeit ist. Außerdem werden die momentan vorgeschlagenen und existierenden Technologien zum Nachweis von WIMPs erläutert. Es
werden auch die momentanen experimentellen Grenzen für die Masse und den Wechselwirkungsquerschnitt von WIMPs dargestellt.


Das Weak-Interaction Team in Los Alamos National Laboratory hat die Möglichkeit ungefähr 700 Lithium gedriftete Silizium Detektoren
von dem St. Petersburg Nuclear Physics Institute zu bekommen. Diese sollen einen Detektor für ein schwarzes Materie-Experiment bilden.
Drei Prototypen wurden nach Los Alamos gesendet, um ihre Parameter zu bestimmen und zu überprüfen, ob die Kristalle als Detektor
geeignet sind. Zur selben Zeit wurde ein Programm gestartet, um den radioaktiven Hintergrund im Untertagelabor WIPP (Waste Isoltion
Pilote Plant) in Carlsbad, New Mexico zu messen und festzustellen, ob das Labor den Ansprüchen für ein solches Experiment genügt.


Die in Los Alamos zu Verfügung stehenden Silizium-Detektoren werden beschrieben. Die Eigenschaften der Detektoren werden
dargestellt und ihre experimentellen Befunde erläutert. Die Entwicklung des Designs und der Bau der Halterung für die Detektoren wird
detailliert beschrieben und die Modifikation und Abweichungen von herkömmlichen Standards wird diskutiert. Weiterhin werden die
Probleme, die mit den Detektoren auftreten, dargestellt und Lösungswege dafür vorgeschlagen.


Es wird gezeigt, daß die Information über die Untergrundstrahlung für Experimente zur Detektion von schwarzer Materie von extremer
Wichtigkeit ist. Der Aufbau eines staubfreien Untertagelabors in WIPP wird beschrieben und es wird erklärt, was die Hintergründe für die
Konstruktion waren. Die Messungen des Gamma-Hintergrunds und dessen Unterdrückung mit Hilfe verschiedener Abschirmmaterialien
wird beschrieben und es wird gezeigt, daß eine Verminderung der Gamma-Strahlung um einen Faktor von nahezu 1000 mit der zur
Verfügung stehenden Abschirmung und der Standortwahl möglich ist. Eine Abschätzung des Gammateilchenflusses in der Abschirmung
wird durchgeführt.


Da kosmische Myonen den stärksten Strahlungs-Untergrund auf der Erdoberfläche bilden und sie nicht durch passive Abschirmung
aufzuhalten sind, wurde der Standort untertage in WIPP gewählt. Eine ausführliche Messung der kosmischen Myonen wird vorgestellt und
die Analyse dieser Daten wird dargestellt. Die vom Myonenfluß abhängigen Untergründe werden dargestellt und mit Hilfe der Daten und
Computersimulationen abgeschätzt.