Simulation für die Suche nach dunkler Materie mit CRESST

Über 80% der gesamten im Universum vorhandenen Materie leuchtet nicht, die sogenannte dunkle Materie. Durch die Einführung eines neuen Teilchens, welches über die Gravitation hinaus höchstens schwach mit der bekannten Materie in Beziehung tritt, könnte die fehlende Materie erklärt werden. Die Vorhersagen für die Masse dieses Teilchens umspannt mehrere Größenordnungen. In letzter Zeit haben Modelle mit einem Massenbereich für dunkle Materie Teilchen zwischen wenigen MeV und einigen GeV großes Interesse erzeugt. Das CRESST-Experiment, dass momentan am Gran Sasso Labor in Italien betrieben wird, ist ein für die Suche nach der dunklen Materie optimiertes Experiment, dass nach Streuungen von dunkle Materie Teilchen mit herkömmlicher Materie sucht. Die Energie des Streuprozesses wird in Gitteranregungen des Detektorkristalls umgewandelt, den sogenannten Phononen, und anschließend mit einem Sensor an der Sprungtemperatur ausgelesen. Mit den bisher von CRESST gesammelten Daten konnte bisher kein Signal beobachtet worden, jedoch sind die Ausschlussgrenzen für dunkle Materie Kandidaten mit einer Masse von weniger als 2 GeV die besten unter den Experimenten zur direkten Suche nach dunkler Materie. Im ersten Förderzeitraum konnte die Nachweisschwelle für Kernrückstöße auf 30 eV gesenkt werden, eine Verbesserung von einer Größenordnung im Vergleich zu vorhergehenden CRESST Detektoren und eine der niedrigsten Schwelle aller Experimente. Bei Rückstoßenergien unterhalb von 200 eV steigt die Ereignisrate allerdings sprunghaft an und der Ursprung dieser Energiedepositionen ist noch nicht verstanden. Studien zur Identifizierung dieser Energiedepositionen sind zentraler Teil des Projekts. Diese Studien basieren einerseits auf detaillierten Simulationen als auch auf der Analyse von Experimentdaten. Neben der Entschlüsselung dieses unbekannten Untergrunds sollen, neben dem bisherigen Detektormaterial Calciumwolframat, weitere Detektormaterialien für die Kristalle, z.B. Saphir, zum Einsatz kommen. Diese Kristalle und deren Untergrundeigenschaften müssen ebenfalls simuliert werden. .

Das Rätsel der dunklen Materie ist eines der großen ungelösten Fragen der modernen Physik. Ein möglicher Lösungsansatz ist die Existenz massiver Teilchen, die nicht elektromagnetisch wechselwirken und sich damit den meisten Nachweismethoden entziehen. Das CRESST-Experiment, das im Gran-Sasso-Untergrundlabor in Italien betrieben wird, sucht mithilfe von kryogenen Detektoren und Quantensensoren nach diesen Teilchen. Aufgrund der geringen Interaktion der dunklen Materie mit dem Detektor können Untergrundprozesse aus seltenen radioaktiven Zerfällen Signalereignisse imitieren und dadurch das Ergebnis beeinflussen. Es ist daher wichtig, die Anzahl der Untergrundereignisse genauestens abzuschätzen. Im Rahmen des Projekts wurden unter Nutzung der Geant4-Simulationssoftware mehrere Methoden entwickelt, um Untergrundprozesse aufgrund radioaktiver Zerfälle für das CRESST-Experiment abzuschätzen. Um die Beiträge aus radioaktiven Zerfällen abzuschätzen, kamen zwei Methoden zur Anwendung. Bei der ersten Methode wurden die Informationen von radioaktiven Zerfallsketten verwendet, die es erlauben, Messungen von Alpha-Zerfällen bei höheren Energien mit Beta-Zerfällen in der Signalregion in Verbindung zu bringen. Bei einer zweiten Methode wurden die simulierten Zerfallsspektren verschiedener möglicher radioaktiver Zerfälle an das gesamte gemessene Zerfallsspektrum angepasst. Die Informationen aus den Zerfallsketten wurden als Eingabeparameter verwendet. Neben den aktiven kryogenen Detektoren wurde auch das experimentelle Setup, in dem sie betrieben werden, simuliert und mögliche externe Untergrundbeiträge abgeschätzt. Eine Datenbank für die Resultate verschiedener Detektormaterialien und Geometrien wurde erstellt. Neben den direkten Messungen wurden auch Informationen von externen Präzisionsmessungen der Radioaktivität des passiven Detektormaterials durchgeführt und für die Simulation verwendet. Die Resultate wurden in einer Datenbank zusammengeführt. Bei den Studien hat sich herausgestellt, dass die Beschaffenheit der Kristalloberfläche den Beitrag der radioaktiven Untergrundprozesse beeinflusst. Verschiedene Detektoroberflächen wurden simuliert, und der Einfluss auf die Messung wurde quantifiziert. Bei der Suche nach der dunklen Materie mit CRESST konnte kein Hinweis auf deren Existenz gefunden werden. Um ein Limit auf die Sensitivität der Wechselwirkungsrate und Masse der hypothetischen dunklen Materie-Teilchen zu setzen, wurde eine Anpassung an ein astrophysikalisches Modell unter Berücksichtigung der Abschätzung der radioaktiven Untergrundprozesse gemacht.