Verbundprojekt 05A2020 - CRESST-XENON-DARWIN: Direkte Suche nach Dunkler Materie mit CRESST, XENON und DARWIN. Teilprojekt 4

Abstract

Ziel des Verbundprojekts ist die Suche nach Dunkler Materie, die den Großteil der Materie im Universum ausmacht. Hierzu arbeiten die am Verbund beteiligten deutschen Gruppen an den Projekten CRESST und XENON, sowie dem Zukunftsprojekt DARWIN. Diese suchen nach Wechselwirkungen von hypothetischen Dunkle Materie Teilchen in Form von WIMPs in ihren Detektoren, können prinzipiell aber auch weitere interessante Fragestellungen untersuchen (z.B. andere Dunkle Materie Kandidaten, Neutrinophysik, ...). In Anbetracht der niedrigen zu erwartenden Ereignisrate ist die Verwendung immer größerer beziehungsweise empfindlicherer Detektoren erforderlich. Aufgrund ihrer Empfindlichkeit in unterschiedlichen WIMP - Massenbereichen sind CRESST und XENON/DARWIN komplementär zueinander. Hier wird über die Beiträge der Arbeitsgruppe der Technischen Universität München (TUM) zum CRESST-Experiment berichtet. CRESST nimmt seit dem Jahr 2022 durchgehend Daten auf. Der Fokus liegt dabei auf der Untersuchung des "Low Energy Excess" (LEE), einer bislang unerklärten Häufung von Ereignissen bei niedrigen Energien (< 200 eV), die die Sensitivität für Dunkle Materie einschränken. Das zeitliche Verhalten der Rate des LEE wurde untersucht, die auf einer Zeitskala von 100-200 Tagen exponentiell abklingt. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass ein zwischenzeitliches Aufwärmen der Detektoren von ihrer Betriebstemperatur von 15 mK auf etwa 60 K und anschließendes Abkühlen einen spontanen Anstieg der LEE-Rate hervorruft. Die Rate klingt im Anschluss aber recht schnell (ca. 14-20 Tage) wieder auf das vorherige Niveau ab. Weitere Tests zeigten, dass bei geringeren Temperaturerhöhungen (z.B. auf 200 mK oder 3,5 K) keine Erhöhung der Rate beobachtet werden konnte, während bei 30 K bzw. 11 K die LEE-Rate erneut anstieg. Zwischenergebnisse wurden im Rahmen der Internationalen Dark Matter Konferenz (IDM), sowie der TAUP-Konferenzen veröffentlicht. Bis Anfang 2024 wird ein weiterer Aufwärmtest auf ca. 130 K durchgeführt. Trotz des LEE konnten aufgrund der niedrigen Energieschwellen (~10 eV) neue Grenzen für den Wirkungsquerschnitt der WIMP-Nukleon-Streuung publiziert werden. Die bisherigen Erkenntnisse zum LEE legen nahe, dass die Ursache entweder in der Grenzfläche zwischen Targetkristall und TES-Sensor oder im Kontakt zwischen Halterung und Targetkristall zu suchen ist. Für die nächste Messkampagne wurden daher neue Detektorgeometrien sowie Absorber mit zwei TES-Sensoren entwickelt, um diese Hypothesen gezielt testen zu können. Diese Detektoren wurden bereits erfolgreich getestet und werden nun für den Einsatz in CRESST vorbereitet. Ein weiterer Weg, die Empfindlichkeit für niedrige WIMP-Massen zu steigern, ist neben der Erniedrigung der Energieschwelle der Einsatz von möglichst leichten Elementen im Targetmaterial der Detektoren und die Optimierung der digitalen Signalverarbeitung. Die Schwerpunkte der Arbeiten an der TUM lagen auf der Herstellung hochreiner Kristalle, deren Weiterverarbeitung zu Kryodetektoren und deren Charakterisierung und Betrieb im CRESST Experiment, als auch die Analyse der Ergebnisse. Aufgrund der räumlichen Nähe mit dem Max-Planck-Institut für Physik in München besteht eine intensive Zusammenarbeit in der Detektorherstellung. Des Weiteren wurde die Entwicklung eines Detektormoduls (‚Bechermodul‘) vorangetrieben, um die Natur der sogenannten Überschussereignisse (low-energy excess events, LEE) oberhalb der Schwellenenergie von wenigen 10 eV zu untersuchen. Ebenso wurde die Entwicklung einer Magnetfeldkompensation für CRESST weiter vorangetrieben. Datei-Upload durch TIB