Detector development for dark matter research

Abstract

One of the major questions in modern astrophysics is the dark matter problem. Even though there is little to no doubt that darkmatter exists, it is still not yet known what dark matter is made of. Cosmology provides evidence that the dark matter contains a non-baryoniccomponent. 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 countrate of WIMPs it becomes obvious that the main constraint for recording a dark-matter event is the background of the WIMP signature. Onepossible detector for such a WIMP experiment can be a lithium drifted silicon detector in which a WIMP interaction generates a nuclearrecoil of a silicon atom which produces a detector signal. Los Alamos National Laboratory (LANL) can potentially get more than 650 lithiumdrifted silicon detectors with a mass of 100 grams each. Three prototypes of these detectors have been tested to determine the quality of thematerial 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). Thisthesis describes the setup of the underground site as well as the background measurements conducted for the gamma and muonbackground. Several measurements of the gamma background with different shielding material have been done and the results arediscussed in detail. The results of the gamma measurements show that the gamma background can be reduced by a factor of 927 with thecurrent 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 inducedbackground is of high importance to all low background experiments. The muon flux is measured with a quadrupel coincidence scintillatordetector. An estimate for the muon induced background is discussed. Eines der Hauptprobleme der modernen Astrophysik ist die schwarze Materie. Obwohl die Existenz von schwarzer Materie mittlerweileallgemein 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 ausund 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 alsHalo in unserer Galaxie und im Universum. Die schwarze Materie formt das schwere Feld im Universum. In dessen Senken befindet sichdie 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 imModell eines reinen baryonischen Universum gezeigt. Desweiteren werden die zur Zeit gemessenen Massen- und Energieverteilungen imUniversum 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 wirdgezeigt, welche Eigenschaften ein Detektor zum Nachweis von WIMPs haben muß. Es wird demonstriert, daß die erwartete Zählrate ineinem WIMP Experiment sehr klein ist und das ein genaues Kennen und Unterdrücken des radioaktiven Hintergrunds von größterWichtigkeit ist. Außerdem werden die momentan vorgeschlagenen und existierenden Technologien zum Nachweis von WIMPs erläutert. Eswerden 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 Detektorenvon 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 Detektorgeeignet sind. Zur selben Zeit wurde ein Programm gestartet, um den radioaktiven Hintergrund im Untertagelabor WIPP (Waste IsoltionPilote 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 werdendargestellt und ihre experimentellen Befunde erläutert. Die Entwicklung des Designs und der Bau der Halterung für die Detektoren wirddetailliert beschrieben und die Modifikation und Abweichungen von herkömmlichen Standards wird diskutiert. Weiterhin werden dieProbleme, 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 extremerWichtigkeit ist. Der Aufbau eines staubfreien Untertagelabors in WIPP wird beschrieben und es wird erklärt, was die Hintergründe für dieKonstruktion waren. Die Messungen des Gamma-Hintergrunds und dessen Unterdrückung mit Hilfe verschiedener Abschirmmaterialienwird beschrieben und es wird gezeigt, daß eine Verminderung der Gamma-Strahlung um einen Faktor von nahezu 1000 mit der zurVerfügung stehenden Abschirmung und der Standortwahl möglich ist. Eine Abschätzung des Gammateilchenflusses in der Abschirmungwird durchgeführt. Da kosmische Myonen den stärksten Strahlungs-Untergrund auf der Erdoberfläche bilden und sie nicht durch passive Abschirmungaufzuhalten sind, wurde der Standort untertage in WIPP gewählt. Eine ausführliche Messung der kosmischen Myonen wird vorgestellt unddie Analyse dieser Daten wird dargestellt. Die vom Myonenfluß abhängigen Untergründe werden dargestellt und mit Hilfe der Daten undComputersimulationen abgeschätzt.