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Increasing the sensitivity to low mass dark matter in CRESST-III with a new DAQ and signal processing
Increasing the sensitivity to low mass dark matter in CRESST-III with a new DAQ and signal processing
Das vorherrschende LambdaCDM-Modell der Kosmologie sagt einen großen Beitrag nicht leuchtender, vornehmlich über Schwerkraft wechselwirkender Materie zum Gesamtenergiegehalt des Universums voraus. Diese so genannte dunkle Materie stellt Experimentalphysiker durch ihre schwer fassbare Natur seit fast einem Jahrhundert vor große Herausforderungen. Zum Zeitpukt der Veröffentlichung dieser Arbeit liegt nach wie vor kein unstrittiger experimenteller Nachweis von dunkle-Materie-Teilchen vor. Das favorisierte Paradigma geht davon aus, dass dunkle-Materie-Teilchen ein thermisches Relikt aus einer früheren Epoche des Universums sind. Diese Teilchen, sogenannte WIMPs, sind schwach wechselwirkend, massiv und stabil. Diese WIMPs befinden sich in der dichten und heissen Anfangsphase des Universums im thermischen Gleichgewicht mit allen anderen Teilchen. Durch die Expansion des Universums reduzierten sich Energie-und WIMP-Dichte soweit, dass Produktion und Vernichtung zum Erliegen kamen und die zu diesem Zeitpunkt vorherrschende WIMP-Dichte eingefroren wurde. Im weiteren Verlauf sind WIMPs vor allem als die dominierende gravitative Komponente für die Entwicklung des Universums relevant. Unter der Annahme einer nur aus WIMP bestehenden Zusammensetzung der dunklen Materie werden Teilchenmassen wenigstens von ~GeV/c2 erwartet. Leichtere WIMPs würden in zu großer Menge entstehen. Das Fehlen positiver Signale aus den verschiedenen Versuchen, dunkle-Materie-Teilchen zu detektieren, lenkte die Aufmerksamtkeit auf einer Reihe von nicht-Standard Szenarien, die nicht an den genannten Massenbereich gebunden sind. Das CRESST-Experiment ist eine der erfolgreichsten experimentellen Bemühungen, die versuchen, dieses Mysterium der Natur zu lösen. Ziel ist es, in der Milchstraße vorhandene dunkle Materie mit einem empfindlichen Teilchenetektor direkt nachzuweisen. Eine exzellente Energieauflösung und die Möglichkeit, zwischen verschiedenen Teilchenarten zu unterscheiden, sind zwei entscheidende Punkte, die CRESST zu einem wettbewerbsfähigen Experiment im Bereich der Suche nach dunkler Materie machen. Die zweite Stufe des Experiments erreichte eine weltweit führende Empfindlichkeit für dunkle-Materieteilchen mit einer Masse unter 1,7 GeV/c2. Der Energieschwelle, die eng mit der Energieauflösung verbunden ist, kommt hierbei eine Schlüsselrolle zu. Die neue Stufe des Experiments, CRESST-III, wurde speziell optimiert, um diesen Parameter weiter zu verbessern und eine bisher unerreichte Empfindlichkeit gegenüber Wechselwirkungen mit Energien <100eV zu erreichen. Das erste Kapitel dieser Doktorarbeit widmet sich der Darstellung des kosmologischen Standardszenarios und der wichtigsten Beweise für das Vorhandensein dunkler Materie. Das zweite Kapitel konzentriert sich auf die wichtigsten experimentellen Techniken, die zur Identifizierung der dunklen-Materie-Teilchen eingesetzt werden. Die gesuchte Signatur bei der direkten Suche wird mit Fokus auf das CRESST Experiment diskutiert. Das dritte Kapitel konzentriert sich auf kryogene Detektoren, den CRESST-Aufbau im Laboratori Nazionali del Gran Sasso und die neu eingesetzten CRESST-III-Detektormodule. Das vierte Kapitel ist ganz der Optimierung des entscheidenden Parameters gewidmet: der Energieschwelle. Eine neue Datenerfassung und eine neuartige auf der Optimum Filter-Technik basierende Analyse werden beschrieben und mit der herkömmlichen Erfassung und Datenverarbeitung verglichen. Die Verbesserung der Empfindlichkeit und die Erweiterung der Nachweisgrenze zu geringeren Massen werden quantifiziert. Das fünfte und letzte Kapitel führt eine neue Betriebskonfiguration für die von CRESST hergestellten Temperatursensoren ein. Ein erster Proof Of Principle durch einen erfolgreich betriebenen Detektor wird präsentiert. Die notwendigen weiteren Verbesserungen für eine dauerhafte Verwendung der neuen Konfiguration werden diskutiert.
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Ferreiro Iachellini, Nahuel
2019
English
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Ferreiro Iachellini, Nahuel (2019): Increasing the sensitivity to low mass dark matter in CRESST-III with a new DAQ and signal processing. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics
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Abstract

Das vorherrschende LambdaCDM-Modell der Kosmologie sagt einen großen Beitrag nicht leuchtender, vornehmlich über Schwerkraft wechselwirkender Materie zum Gesamtenergiegehalt des Universums voraus. Diese so genannte dunkle Materie stellt Experimentalphysiker durch ihre schwer fassbare Natur seit fast einem Jahrhundert vor große Herausforderungen. Zum Zeitpukt der Veröffentlichung dieser Arbeit liegt nach wie vor kein unstrittiger experimenteller Nachweis von dunkle-Materie-Teilchen vor. Das favorisierte Paradigma geht davon aus, dass dunkle-Materie-Teilchen ein thermisches Relikt aus einer früheren Epoche des Universums sind. Diese Teilchen, sogenannte WIMPs, sind schwach wechselwirkend, massiv und stabil. Diese WIMPs befinden sich in der dichten und heissen Anfangsphase des Universums im thermischen Gleichgewicht mit allen anderen Teilchen. Durch die Expansion des Universums reduzierten sich Energie-und WIMP-Dichte soweit, dass Produktion und Vernichtung zum Erliegen kamen und die zu diesem Zeitpunkt vorherrschende WIMP-Dichte eingefroren wurde. Im weiteren Verlauf sind WIMPs vor allem als die dominierende gravitative Komponente für die Entwicklung des Universums relevant. Unter der Annahme einer nur aus WIMP bestehenden Zusammensetzung der dunklen Materie werden Teilchenmassen wenigstens von ~GeV/c2 erwartet. Leichtere WIMPs würden in zu großer Menge entstehen. Das Fehlen positiver Signale aus den verschiedenen Versuchen, dunkle-Materie-Teilchen zu detektieren, lenkte die Aufmerksamtkeit auf einer Reihe von nicht-Standard Szenarien, die nicht an den genannten Massenbereich gebunden sind. Das CRESST-Experiment ist eine der erfolgreichsten experimentellen Bemühungen, die versuchen, dieses Mysterium der Natur zu lösen. Ziel ist es, in der Milchstraße vorhandene dunkle Materie mit einem empfindlichen Teilchenetektor direkt nachzuweisen. Eine exzellente Energieauflösung und die Möglichkeit, zwischen verschiedenen Teilchenarten zu unterscheiden, sind zwei entscheidende Punkte, die CRESST zu einem wettbewerbsfähigen Experiment im Bereich der Suche nach dunkler Materie machen. Die zweite Stufe des Experiments erreichte eine weltweit führende Empfindlichkeit für dunkle-Materieteilchen mit einer Masse unter 1,7 GeV/c2. Der Energieschwelle, die eng mit der Energieauflösung verbunden ist, kommt hierbei eine Schlüsselrolle zu. Die neue Stufe des Experiments, CRESST-III, wurde speziell optimiert, um diesen Parameter weiter zu verbessern und eine bisher unerreichte Empfindlichkeit gegenüber Wechselwirkungen mit Energien <100eV zu erreichen. Das erste Kapitel dieser Doktorarbeit widmet sich der Darstellung des kosmologischen Standardszenarios und der wichtigsten Beweise für das Vorhandensein dunkler Materie. Das zweite Kapitel konzentriert sich auf die wichtigsten experimentellen Techniken, die zur Identifizierung der dunklen-Materie-Teilchen eingesetzt werden. Die gesuchte Signatur bei der direkten Suche wird mit Fokus auf das CRESST Experiment diskutiert. Das dritte Kapitel konzentriert sich auf kryogene Detektoren, den CRESST-Aufbau im Laboratori Nazionali del Gran Sasso und die neu eingesetzten CRESST-III-Detektormodule. Das vierte Kapitel ist ganz der Optimierung des entscheidenden Parameters gewidmet: der Energieschwelle. Eine neue Datenerfassung und eine neuartige auf der Optimum Filter-Technik basierende Analyse werden beschrieben und mit der herkömmlichen Erfassung und Datenverarbeitung verglichen. Die Verbesserung der Empfindlichkeit und die Erweiterung der Nachweisgrenze zu geringeren Massen werden quantifiziert. Das fünfte und letzte Kapitel führt eine neue Betriebskonfiguration für die von CRESST hergestellten Temperatursensoren ein. Ein erster Proof Of Principle durch einen erfolgreich betriebenen Detektor wird präsentiert. Die notwendigen weiteren Verbesserungen für eine dauerhafte Verwendung der neuen Konfiguration werden diskutiert.