KIP - °gTieftemperatur-Teilchendetektoren - Dunkle Materie°eCryogenic particle detection - Dark matter°n


°gSuche nach dunkler Materie°eDark Matter Search°n

°g Aus verschiedenen astronomischen Beobachtungen, wie z.B. aus der Messung der Rotationsgeschwindigkeit von Spiralgalaxien (Abb. 1), kann geschlossen werden, dass die Masse der leuchtenden Materie nur einen Bruchteil - ca. 10 bis 30% - der dynamisch wirksamen Gesamtmasse ausmacht. Die fehlende Masse wird als so genannte dunkle Materie bezeichnet, da bislang weitgehend unbekannt ist aus was sie besteht. Es gibt verschiedene Ansätze den Ursprung und die Konsistenz der dunklen Materie zu erklären. Neuere Beobachtungen deuten darauf hin, dass die dunkle Materie nicht aus einer Substanz besteht, sondern dass vermutlich eine Kombination von verschiedenen Beiträgen die Gesamtmasse bildet. Ein Kandidat, nachdem mit Hilfe von Tieftemperaturdetektoren gesucht wird, sind so genannte WIMPs (weakly interacting massive particles). Solche Teilchen, die man sich vereinfacht als sehr schwere Neutrinos vorstellen kann, werden in neueren Theorien der Elementarteilchenphysik vorhergesagt. Nach astrophysikalischen Vorstellungen sollen diese WIMPs gravitativ an Galaxien gebunden sein und einen sphärischen Halo mit thermischer Geschwindigkeitverteilung bilden.

Derzeit werden verschiedene Tieftemperaturdetektoren aufgebaut und betrieben, um solche Teilchen nachzuweisen. Der erwartete sehr kleine Wechselwirkungsquerschnitt macht die Detektion der WiMPs äußerst schwierig. Ein häufig verwendetes Detektionsprinzip ist der Nachweis über den Kernrückstoß bei der Streuung an Atomkernen in Festkörperabsorbern. Der Kernrückstoss erzeugt athermische Anregungen, die mit Thermometern an der Oberfläche nachgewiesen werden. Ein wichtiger Punkt bei der Suche nach WIMPs ist die Unterdrückung des Untergrunds, da die erwartete Ereignisrate sehr gering ist. Die Experimente werden daher tief unter der Erdoberfläche durchgeführt. Um den Einfluß der Umgebungsradioaktivität zu reduzieren werden zum einen massive Abschirmungen eingesetzt und zum anderen ausgeklügelte Koinzidenzdetektoren realisiert, auf die wir im Rahmen dieser Einführung nicht näher eingehen wollen. Eine wichtige Signatur für den Nachweis von WIMPs ist eine Sommer zu Winter Asymmetrie der Ereignisrate, die aufgrund der Relativbewegung von Erde und Galaxis erwartet wird. °e Several astronomical observations, like the velocity of rotation of spiral galaxies (Fig. 1), indicate that the luminous mass represents only 10 to 30% of the total mass, which determines the dynamics. The origin and consistency of the missing mass, which is called dark matter, is unknown. There are many different theoretical approaches to explain what dark matter consists of. Recent observations suggest that dark matter is not made of a single component, but is a combination of different types of matter. One component, might be weakly interacting massive particles (WIMPs), which play an important rule in certain extension of the standard model of elementary particles. In a simplified picture these particles can be viewed as very massive neutrinos, which are gravitationally bound to galaxies in form of a spherical helo and have a thermal distribution of velocity.

Several cryogenic detectors are currently under construction (some partially already operating) to detect WIMPs. The expected very small cross-section makes the detections of WIMPs extremely difficult. A concept, which is often used, is the determination of the nuclear recoil after the elastic scattering of a WIMP with a nucleus in a solid. In general such a nuclear recoil produces athermal excitations in the absorber. These excitations propagate through the solid a thermalize mainly at the surface, where the thermometer is attached. One very important point in connection with WIMP search experiments is the reduction of background events, because the expected event rate for WIMPs is very low. Therefore such experiments have to be performed in special underground laboratories. The reduce the influence of the natural radioactivity massive screening and special coincidence systems are used. An important signature for identification of WIMP events should be a seasonal variation of the signal because the relative motion of earth and milky way.°n
 
CRESST-°gKollaboration°eCollaboration °n

CDMS-°gKollaboration°eCollaboration°n

ROSEBUD, University of Zaragoza, °gSpanien°eSpain°n

CUORE, °gMailand, Italien°eMilano, Italy°n

MACHe3, CNRS Grenoble, °gFrankreich°eFrance°n

EDELWEISS-°gKollaboration°eCollaboration°n

ORPHEUS, University of Bern, (°gSchweiz°eSwitzerland°n)

°gAbb. 1: Gemessene Rotationsgeschwindigkeit einer Spiralgalaxie (rot) im Vergleich zum erwarteten Verlauf für die leuchtende Materie (schwarz)°eFig. 1: Measured rotation speed of a spiral galaxy (red) in comparison with the expected curve if only the luminous mass is considered (black)°n.