Direkte Suche nach elementaren Teilchen der Dunklen Materie

WIMPs - Experimentelle Herausforderungen

Es gibt viele Hinweise darauf, dass die Dunkle Materie im Universum aus bisher unbekannten, relativ schweren, nur schwach wechselwirkenden Elementarteilchen besteht. Für diese Elementarteilchen hat sich der Name WIMP (Weak Interacting Massive Particle) eingebürgert. Das Ziel des CRESST Experimentes ist es, diese sowohl für die Kosmologie, als auch für die Teilchenphysik bedeutenden Elementarteilchen direkt nachzuweisen. Aus Deutschland sind das Max Planck Institut für Physik in München und die Technische Universität München an CRESST beteiligt.

CRESST-Saphir Tieftemperatur-Kalorimeter. Zu sehen ist ein Saphir-Würfel mit 4cm Kantenlänge als Absorber. Man erkennt das auf der Oberfläche aufgebrachte supraleitende Phasenübergangsthermometer, bestehend aus einem dünnen Wolfram-Film.

Die beiden experimentellen Herausforderungen denen man sich stellen muß, sind die sehr niedrige Rate, die man für Streuungen dieser Elementarteilchen an den Detektormaterialien zu erwarten hat und die sehr geringe Energie, die dabei übertragen wird. Beiden Problemen begegnet CRESST mit neuartigen Tieftemperatur-Detektoren basierend auf supraleitenden Thermometern.

Dies ist ausgedrückt im Namen CRESST: Cryogenic Rare Event Search with Superconducting Thermometers.

Die Sensitivität eines Experimentes wie CRESST ist durch die verbleibende Rate des radioaktiven Untergrundes gegeben. Deshalb ist das Experiment aus ausgesucht reinen Materialien hergestellt und wird unter Reinraumbedingungen betrieben. Zur Abschirmung vor Umgebungsradioaktivität ist der Kryostat, in dem die Detektoren installiert sind, mit insgesamt 35cm Kupfer und Blei umgeben. Trotz diesen Maßnahmen würde die kosmische Strahlung eine unerträglich hohe Rate an Störsignalen verursachen. Deshalb befindet sich CRESST, zusammen mit vielen anderen Experimenten, die nach seltenen Ereignissen suchen,  im Gran Sasso Untergrundlabor in den Abruzzen in Italien.

Kryostat zum Betrieb der CRESST Detektoren im Gran Sasso Untergrundlabor in Italien. Die untere Kupferbox enthält die Detektoren. Von dort geht ein Kaltfinger hoch zum eigentlichen Kryostaten. Dahinter sieht  man eine Hälfte der auf dem Bild offenen Kupfer und Blei Abschirmung (zum Schutz ist die Bleiabschirmung mit weißer Folie beklebt).

Sehr sensitive thermische Detektoren

Elektrischer Widerstand eines supraleitenden Iridium-Gold-Filmes. In einem sehr engen Temperaturbereich von nur etwas mehr als 1mK Breite, geht der Film von der supraleitenden in die normalleitende Phase über. Eine kleine Temperaturänderung resultiert in einer relativ großen Widerstandsänderung. So lassen sich sehr sensitive Thermometer realisieren.

Die Detektoren von CRESST bestehen aus Saphir- oder CaWO₄-Kristallen. Durch Streuung von WIMPs an Atomkernen wird Energie deponiert. Die resultierende Temperaturerhöhung wird gemessen und liefert so das Detektorsignal. Um mit diesen thermischen Detektoren bei den geringen Energien eine meßbare Temperaturerhöhung zu erhalten, müssen die Betriebstemperaturen der Detektoren sehr niedrig sein. Die Detektoren werden bei etwa 0.02K betrieben. Als Thermometer verwendet CRESST supraleitende Filme, die an ihrem Phasenübergang zur Supraleitung stabilisiert werden. Eine kleine Temperaturschwankung wird damit in eine relativ große Änderung des Widerstandes übertragen. Mit solchen Detektoren lassen sich sehr niedrige Energieschwellen realisieren. Je leichter die WIMPs sind, desto geringer sind die bei Kernstößen übertragenen Energien. Daher sind rein thermische Detektoren besonders geeignet, um nach WIMPs mit niedriger Masse zu suchen.

Rückstoß-Spektren von leichten WIMPs an Germanium-Kernen. Je geringer die WIMP-Masse desto mehr ist das Spektrum zu niedrigen Energien hin verschoben. Um leichte WIMPs zu detektieren ist daher eine möglichst niedrige Energieschwelle der Detektoren erforderlich.Da nur etwa ein Drittel der thermischen Energie in die Erzeugung von Ladungen geht, sind die effektiv meßbaren Energien in Ionisationsdetektoren etwa um den Faktor drei gegenüber der gezeigten Skala verringert.

CRESST ist damit im Bereich kleiner WIMP-Massen das zur Zeit sensitivste Experiment. Mit rein thermischen Saphir-Detektoren konnten sowohl für WIMPs mit spin-abhängiger als auch für WIMPs mit spin-unabhängiger Wechselwirkung neue Grenzen angegeben werden.

Ergebnisse von CRESST I mit rein thermischen Saphir-Kalorimetern. Links die ereichte Sensitivität im Ausschlußplot des WIMP-Proton Streuquerschnittes gegen WIMP Masse für spinabhängige Wechselwirkung, rechts für spinunabhängige Wechselwirkung. Im Vergleich zu anderen Experimenten liegt die Stärke von CRESST I aufgrund der niedrigen Energieschwelle der Detektoren im Bereich niedriger WIMP Massen.

Gleichzeitige Messung von Licht und Wärme - Unterdrückung des Untergrundes

Einbau von Detektoren in den Kryostaten im Gran Sasso Labor

Mit  CaWO4 -Kristallen verwendet CRESST II auch szintillierende Absorber. D.h. bei einem Streuereignis wird neben Wärme auch Licht erzeugt. Das Verhältnis von Licht zu Wärme ist unterschiedlich für Gammastrahlung und Kernrückstöße. Wird nun -wie bei CRESST- gleichzeitig Wärme und Licht gemessen, so können die WIMP-Streuungen vom Gammauntergrund und damit vom überwiegenden Teil des radioaktiven Untegrundes unterschieden werden. Das vom Absorberkristall emittierte Licht wird bei CRESST mit einem zweiten benachbarten kleineren Tieftemperatur-Detektor gemessen.  Damit steigt die Sensitivität für kleine Zählraten und kleine Wirkungsquerschnitte um viele Größenordnungen. Diese Art von Detektoren sind daher geeignet um bei höheren WIMP-Massen nach sehr kleinen Wirkungsquerschnitten zu suchen. Es wird eventuell sogar möglich sein, in Zukunft mit größeren Detektoren einen Großteil des für WIMPs erwarteten Parameterbereiches zu untersuchen.

Status und Pläne von CRESSI IT

CRESST wurde in den letzten Jahren vollständig im Gran Sasso Labor in Italien installiert und erfolgreich in Betrieb genommen. Die rein thermischen Detektoren haben die geplanten Eigenschaften erreicht und zeigen im relevanten Energiebereich einen Untergrund von nur einem Ereignis pro keV pro Tag und Kilogramm Detektormaterial. Damit werden in den nächsten beiden Jahren die geplanten Grenzen für WIMPs mit kleiner Masse erreicht werden können (siehe 'CRESST I rein thermisch'). Bisher konnte CRESST wegen der begrenzten Zahl von Messkanälen nur etwa 1kg Detektormasse betreiben. Zur Zeit wird CRESST aufgerüstet, um im nächsten Jahr in der Lage zu sein, bis zu 10kg zu installieren.  Danach werden nach und nach 10kg CaWO₄ -Kristalle in Betrieb genommen um mit der simultanen Licht-Wärme Messung den Bereich kleiner Wirkungsquerschnitte zu untersuchen (siehe 'CRESST Licht-Wärme').

Die Ergebnise der direkten Suche nach Dunkler Materie werden als Ausschluß-Kurven im Parameterbereich der WIMP-Massen und WIMP-Proton Wirkungsquerschnitte dargestellt. Die vom Experiment DAMA beobachtete Evidenz liegt im Bereich um etwa 60GeV Masse und einem Wirkungsquerschnitt von etwa 5*10-6 pb

Zukünftige Experimente

Die zu erwartenden Streuraten für die Elementarteilchen der Dunklen Materie in den Detektoren der Experimente können eventuell nur wenige Ereignisse pro Jahr in 100kg Targetmasse sein. Um in diesen Bereich vorstoßen zu können, ist es zuallererst erforderlich den Untergrund auf sehr hohem Niveau sehr gut kontrollieren zu können. Für die notwendige statistische Relevanz der zu treffenden Aussagen werden dabei gleichzeitig sehr großer Targetmassen benötigt. Die Planungen gehen dahin, Tieftemperatur-Kalorimeter in einer europäischen Kollaboration auf Detektormassen bis hin zu mehreren 100kg auszubauen. Damit könnte ein Großteil des von der Supersymmetrie vorhergesagten Bereiches von Wirkungsquerschnitten abgedeckt werden. Wenn WIMPs nachgewiesen und daneben in Hochenergie-Beschleunigern neue Teilchen gefunden werden, könnte der Zusammenhang zwischen der Dunklen Materie und der Teilchentheorie jenseits des Standardmodells definitiv geklärt werden.

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beteiligte Institute