Analysis of new cryogenic detectors with light nuclei to extend the CRESST dark matter sensitivity

Bertolini, Anna (2024): Analysis of new cryogenic detectors with light nuclei to extend the CRESST dark matter sensitivity. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

Seit Jahrzehnten sieht sich die wissenschaftliche Gemeinschaft mit mehreren astronomischen Beobachtungen konfrontiert, die auf die Existenz einer unbekannten, nicht leuchtenden Materie hinweisen, die heute als dunkle Materie bezeichnet wird. Es wurden mehrere Theorien über die Natur dieser neuen Materie aufgestellt. Die Theorie, die in der wissenschaftlichen Gemeinschaft die größte Akzeptanz genießt, ist die Teilchentheorie, bei der angenommen wird, dass die dunkle Materie aus einem oder mehreren Teilchen besteht, die im Standardmodell nicht vorgesehen sind. Es wurden mehrere Kandidaten vorhergesagt, die ein breites Spektrum an Massen und Wechselwirkungen mit den Teilchen des Standardmodells abdecken. Daher werden die experimentellen Bemühungen zur Untersuchung jedes möglichen Kandidaten auf zahlreiche Experimente mit unterschiedlichen Nachweisansätzen verteilt. Kryogenexperimente spielen eine wesentliche Rolle bei der Untersuchung potenzieller Teilchen der dunklen Materie mit Massen unterhalb des GeV-Bereichs. Ihr typischer Nachweisansatz besteht darin, die elastische kohärente Streuung eines Teilchens aus dunkler Materie an einem Zielkern mit Hilfe von extrem empfindlichen Kalorimetern zu identifizieren. Eines dieser Experimente ist das CRESST-Experiment, bei dem die von potenziellen Teilchen der dunklen Materie deponierte Energie als Temperaturanstieg in einem Zielkristall mit supraleitenden Phasenübergangsthermometern (Transition Edge Sensors - TES) gemessen wird. Die bemerkenswert niedrigen Energieschwellen, die mit diesen Sensoren erreicht werden, haben die Empfindlichkeit von CRESST für dunkle Materie im Sub-GeV-Bereich an vorderster Front etabliert. Einer der Vorteile von kryogenen Kalorimetern ist die Möglichkeit, verschiedene Materialien als Absorber zu verwenden. Wenn man die Sensitivität für noch niedrigere Massen dunkler Materie anstrebt, sind daher Zielkristalle mit leichten Kernen die beste Wahl, da sie kinematisch bevorzugt sind, die Streuung von Teilchen mit geringer Masse zu untersuchen. In dieser Arbeit wird zunächst eine kurze Einführung in die Dunkle Materie und ihren Nachweis in Kapitel 1 und 2 gegeben, gefolgt von einer Darstellung des CRESST-Experiments in Kapitel 3 und seiner Analysemethoden in Kapitel 4. Nach dieser Einführung wird die Verwendung von zwei leichten Elementen in kryogenen Kalorimetern untersucht: Lithium und Kohlenstoff. In Kapitel 5 wird die erste unterirdische Messung eines Kristalls auf Lithiumbasis, in Form von Lithiumaluminat, vorgestellt. Lithium ist das leichteste Element, das in die für die CRESST-Technologie erforderliche kristalline Struktur eingebettet werden kann. In Verbindung mit einer niedrigen Energieschwelle haben solche Kristalle daher das Potenzial, bei der Suche nach leichter dunkler Materie höchste Empfindlichkeit zu bieten. Dank des Kerndrehimpulses im Grundzustand, der von 0 verschieden ist, können nicht nur die typischen spinunabhängigen Wechselwirkungen untersucht werden, sondern auch spinabhängige. Das Potenzial dieses Materials wird in dieser Arbeit bestätigt, indem die weltweit führenden oberen Grenzwerte für den spinabhängigen Dunkle-Materie-Nukleon-Wirkungsquerschnitt durch elastische Streuung, die mit einem Lithiumaluminat-Kristall erzielt werden konnten, vorgestellt werden. In Kapitel 6 wird eine Messung mit Diamantkristallen vorgestellt, die die erste Verwendung dieses Materials als kryogenes Kalorimeter für die Suche nach dunkler Materie darstellt. Heutzutage besteht ein großes Interesse an diesem Material in kryogenen Experimenten, nicht nur wegen seines leichten Kerns, sondern auch, weil es die notwendigen Eigenschaften aufweist, um beispiellose Energieschwellen zu erreichen. In dieser Arbeit wird gezeigt, wie mit einer Proof-of-Principle-Messung die vorhergesagten niedrigen Energieschwellen erreicht wurden und konkurrenzfähige obere Grenzen für den spinunabhängigen Dunkle-Materie-Nukleon-Wirkungsquerschnitt der elastischen Streuung gesetzt werden konnten. Die möglichen weiteren Verbesserungen für eine vollständige Nutzbarmaching der beiden vorgestellten innovativen Materialien werden ebenfalls kurz skizziert.

Abstract

For decades, the scientific community has been faced with several astronomical observations pointing to the existence of an unknown non-luminous matter, now referred to as dark matter. Several theories have been advanced regarding the nature of such a type of new matter. The theory that holds the highest acceptance within the scientific community lies in the particle framework, where dark matter is hypothesized to be composed of one or more particles not foreseen in the standard model. Multiple candidates have been predicted which cover a broad range of masses and interaction types with the standard model particles. Therefore, the experimental effort to investigate each possible candidate is shared between numerous experiments adopting different detection approaches. Cryogenic experiments have engaged an essential role in probing potential dark matter particles with sub-GeV masses. Their typical detection approach is to identify the elastic coherent scattering of a dark matter particle off a target nucleus by means of extremely sensitive calorimeters. One of these is the CRESST experiment, which measures the energy deposit generated by potential dark matter particles as a temperature rise in a target crystal with superconducting thermometers, called transition edge sensors (TES). The remarkably low energy thresholds achieved with these sensors have established the sensitivity of CRESST to sub-GeV dark matter at the forefront. One of the advantages of cryogenic calorimeters is the possibility to employ different materials as absorbers. Therefore, when aiming at sensitivity to low dark matter masses, targets with light nuclei represent the best choice, as they are kinematically favored. In this thesis, a brief introduction to dark matter and its detection is outlined in chapters 1 and 2, followed by a presentation of the CRESST experiment in chapter 3 and its analysis chain in chapter 4. After this introduction, this thesis explores the use of two light elements in cryogenic calorimeters: lithium and carbon. Chapter 5, presents the first underground measurement of a lithium-based crystal, in the form of lithium aluminate. Lithium is the lightest element that can be embedded in the crystalline structure the CRESST technology requires. Therefore, combined with a low energy threshold, such crystals have the potential to provide ultimate sensitivity to light dark matter searches. Thanks to its nuclear ground state angular momentum that is different from 0, not only the typical spin-independent interactions can be probed, but also spin-dependent ones. The potential of lithium is confirmed in this thesis by presenting the world-leading upper limits on the elastic scattering spin-dependent dark matter-nucleon cross-section that could be achieved with a lithium aluminate crystal. In chapter 6, a measurement employing diamond crystals is presented, which represents the first use of this material as a cryogenic calorimeter for a dark matter search. Nowadays, there is a widespread interest in this material within cryogenic experiments, not only because of its light nucleus but also because it features the necessary characteristics to achieve unparalleled energy thresholds. In this work, it is shown how, with a proof-of-principle measurement, the predicted low energy thresholds were achieved and competitive upper limits on the elastic scattering spin-independent dark matter-nucleon cross-section could be set. The possible further improvements for a full exploitation of the two innovative materials presented are also briefly outlined.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: CRESST, dark matter
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 28. Mai 2024
• 1. Bericht­erstatter:in: Biebel, Otmar