ELOISE: Verlässliche Untergrundsimulation im sub-keV Bereich

In ihrem Streben unsere Welt immer genauer und vollständiger zu beschreiben, sucht die Physik nach neuen Phänomenen der sogenannten Neue Physik. Ein Ansatz besteht in der hochgenauen Vermessung bekannter Phänomene und dem Vergleich dieser Messung mit der bekannten Physik. Finden sich Abweichungen vom Bekannten, kann dies ein Hinweis auf Neue Physik sein. Das Experiment NUCLEUS plant hierfür die Kohärent-elastische Neutrino-Kernstreuung zu vermessen. Hierbei streut das Elementarteilchen Neutrino an einem ganzen Atomkern (daher kohärent) unter Energie- und Impulserhaltung (daher elastisch). Im Fall von NUCLEUS sind die Atomkerne in Saphir- und Calciumwolframatkristallen gebunden. Bei der Streuung kann der Atomkern genügend Energie gewinnen um seinen Platz im Kristall zu verlassen und im Folgenden die aufgenommene Energie an die anderen Atome im Kristall weiterzugeben. Um mit NUCLEUS nach Neuer Physik suchen zu können, müssen wir genau wissen, wie die Streuung selbst und die darauffolgende Energieweitergabe von Statten geht. Erst mit diesem Wissen mag NUCLEUS sein Ziel erfüllen können und seinen Teil zu einem besseren Verständnis unserer Welt beitragen. Grundsätzlich wissen wir, wie die Streuung und die Energieweitergabe in Kristallen funktioniert. Allerdings wurde bisher nicht versucht diese Grundlagen mit hoher Genauigkeit auf Saphir- und Calciumwolframat anzuwenden. Vor allem die Energieweitergabe ist nur ungenau beschrieben. Dies wollen wir, die Wissenschaftler des ELOISE-Projektes, ändern. Aufbauend auf physikalischen Grundlagen, werden wir die Streuung und Energieweitergabe in einem physikalischen Model beschreiben. Mittels dieses Modells werden wir ein Computerprogramm entwickeln, welches vorhersagt welche konkreten Energiewerte an andere Atome im Kristall weitergegeben werden. Diese Vorhersagen werden wir mit Messungen der Energieweitergabe vergleichen sowohl Messungen die bereits von anderen Wissenschaftlern veröffentlicht wurden, wie auch eigenen, von uns selbst durchgeführten Messungen. Da wir mit nur grundlegenden Kenntnissen beginnen, wird dieser erste Vergleich wahrscheinlich Abweichungen zwischen den Messungen und den Vorhersagen ergeben. Durch die Auswertung dieser Abweichungen können wir neue Erkenntnisse gewinnen und das Model der Energieweitergabe verfeinern. Das Computerprogram wird nun das verbesserte Model benutzen um neue Vorhersagen zu treffen, welche dann wieder mit den Messungen verglichen werden. Der Kreislauf aus Verbesserung, Vorhersage und Vergleich wird mehrmals wiederholt werden, umso die Genauigkeit des Models zu erhöhen. Unsere Ergebnisse werden nicht nur für NUCLEUS und seine Suche nach Neuer Physik unerlässlich sein. Jede Anwendung, die auf eine genaue Kenntnis der Energieweitergabe in Saphir- oder Calciumwolframatkristallen angewiesen ist, wird von unseren Erkenntnissen profitieren.