AnaCONDa - Analyse von COSINUS Neutronendaten

Die Natur der Dunkle Materie ist eine der großen offenen Fragen der modernen Physik. Heutzutage ist durch präzise kosmologische Messungen nicht nur bekannt, dass die Dunkle Materie existiert, wir wissen sogar, dass sie fünf Mal häufiger im Universum vorkommt, als die gewöhnliche, schon bekannte Materie. Woraus die Dunkle Materie nun allerdings besteht bleibt bislang im Verborgenen. Weltweit haben sich Experimente zur direkten Suche nach Dunkler Materie aufgemacht um dieses Rätsel zu lösen, deren aktuelle Ergebnisse sind allerdings widersprüchlich. Einerseits misst das DAMA/LIBRA Experiment eine jährliche Modulation der Wechselwirkungsrate in ihren Natriumiodid (NaI) Detektoren, genau wie sie von Dunkler Materie erwartet wird. Zahlreiche andere Experimente wiederum sehen übereinstimmend keinerlei Anzeichen für Dunkle Materie und schließen das DAMA/LIBRA Ergebnis somit aus. Allerdings basiert keines dieser Experimente ebenfalls auf NaI, was den Vergleich erschwert, da eine Abhängigkeit der Wechselwirkung der Dunklen Materie vom verwendeten Material nicht ausgeschlossen werden kann. Mehrere Experimente arbeiten derzeit an einer Aufklärung dieses Widerspruches, eines davon ist COSINUS, dessen Alleinstellungsmerkmal es ist NaI als Tieftemperaturdetektor zu betreiben und so zwei voneinander unabhängige Signale messen zu können. Jede Teilchenwechselwirkung induziert ein Wärmesignal im NaI-Kristall, welches eine hochpräzise Bestimmung der deponierten Energie erlaubt. Zudem wird Szintillationslicht produziert, welches Aufschluss über die Art der Wechselwirkung gibt. Die beiden wesentlichen Vorteile dieser Technologie sind folglich eine niedrige Energieschwelle kombiniert mit Teilchenidentifizierung. Mit der erfolgreichen Messung erster Prototypen hat COSINUS bereits bewiesen, dass NaI als Tieftemperaturdetektor betrieben werden kann; im Fokus der derzeitigen Bemühungen steht die Verbesserung der Sensitivität der Detektoren und die Konstruktion des experimentellen Aufbaus im LNGS Untergrundlabor. Begleitend dazu ist das Ziel von AnaCONDa ist ein vollumfängliches Verständnis aller im COSINUS Detektor auftretenden Wechselwirkungen zu erlangen. Notwendig hierzu ist es die Antwort des Detektors auf Wechselwirkung mit Neutronen zu vermessen, da diese quasi identisch wie Dunkle Materie interagieren. Mit AnaCONDa planen wir die am HEPHY für das CRESST Experiment bereits entwickelte Monte Carlo Simulation für COSINUS anzupassen und zudem um Neutronenwechselwirkungen zu erweitern. Weiterhin werden wir Methoden entwickeln um die leicht differierenden Signalformen verschiedener Wechselwirkungen in einem COSINUS- Detektor zu benutzen um potentielle Ereignisse Dunkler Materie herauszufiltern. Die Kombination all dieser Arbeitspakete wird in einem detaillierten Verständnis des Detektors münden, was fundamental für jegliche zukünftige Resultate von COSINUS zur Dunklen Materie ist. Erste Ergebnisse können schon im Fortschreiten von AnaCONDa erwartet werden.

Die Natur der Dunkle Materie ist eine der großen offenen Fragen der modernen Physik. Heutzutage ist durch präzise kosmologische Messungen nicht nur bekannt, dass die Dunkle Materie existiert, wir wissen sogar, dass sie fünf Mal häufiger im Universum vorkommt, als die gewöhnliche, schon bekannte Materie. Woraus die Dunkle Materie nun allerdings besteht bleibt bislang im Verborgenen. Weltweit haben sich Experimente zur direkten Suche nach Dunkler Materie aufgemacht um dieses Rätsel zu lösen, deren aktuelle Ergebnisse sind allerdings widersprüchlich. Einerseits misst das DAMA/LIBRA Experiment eine jährliche Modulation der Wechselwirkungsrate in ihren Natriumiodid (NaI) Detektoren, genau wie sie von Dunkler Materie erwartet wird. Zahlreiche andere Experimente wiederum sehen übereinstimmend keinerlei Anzeichen für Dunkle Materie und schließen das DAMA/LIBRA Ergebnis somit aus. Allerdings basiert keines dieser Experimente ebenfalls auf NaI, was den Vergleich erschwert, da eine Abhängigkeit der Wechselwirkung der Dunklen Materie vom verwendeten Material nicht ausgeschlossen werden kann. Mehrere Experimente arbeiten derzeit an einer Aufklärung dieses Widerspruches, eines davon ist COSINUS, dessen Alleinstellungsmerkmal es ist NaI als Tieftemperaturdetektor zu betreiben und so zwei voneinander unabhängige Signale messen zu können. Jede Teilchenwechselwirkung induziert ein Wärmesignal im NaI-Kristall, welches eine hochpräzise Bestimmung der deponierten Energie erlaubt. Zudem wird Szintillationslicht produziert, welches Aufschluss über die Art der Wechselwirkung gibt. Die beiden wesentlichen Vorteile dieser Technologie sind folglich eine niedrige Energieschwelle kombiniert mit Teilchenidentifizierung. COSINUS ist derzeit in der finalen Phase seines Aufbaus am LNGS Untergrundlabor in Italien, der Start der Messungen ist für 2025 geplant. Mit AnaCONDa haben wir wesentliche Grundlagen für COSINUS geschaffen und zu den ersten Ergebnissen zur Dunklen Materie beigetragen. In AnaCONDa haben wir Monte Carlo Simulationen erstellt, welche die Basis für das Design des Experimentes waren. Ein besonderes Augenmerkt hierbei war das Myonveto welches die Detektoren umgibt, bestehend aus einem mit Lichtsensoren instrumentierten Wassertank. Wir konnten zeigen dass dies Konfiguration die Rate an Neutronen welche durch kosmische Strahlung induziert werden unter ein erwartetes Ereignis für die finale Messung von COSINUS gedrückt wird. In AnaCONDa haben wir uns intensiv mit der Reaktion des Detektors auf neutron-induzierte Kernrückstöße auseinandergesetzt da diese Ereignisse jenen der Dunkler Materie gleichen. In Kollaboration mit TUNL wurden NaI-Kristalle in einem Neutronenstrahl vermessen, AnaCONDa hat hier die notwendigen Monte Carlo Simulationen, sowie Datenanalyse beigesteuert. In Prototypenmessungen konnten wir mit den Entwicklungen in AnaCONDa eine sehr präzise Messung bei mK-Temperaturen erreichen. Diese Prototypen sind weltweit die ersten NaI-Detektoren welche pro Ereignis zwischen Kern- und Elektronrückstößen unterscheiden können, wobei diese Diskriminierung sehr genau mit in AnaCONDa entwickelten Methoden bestimmt wurde. Diese Methoden wurden außerdem verwendet um erste Ergebnisse zur Dunklen Materie zu extrahieren, welche eindrucksvoll die hohe Sensitivität von COSINUS NaI-Detektoren zeigen.