KIP-Veröffentlichungen

DELight ist ein Direktnachweisexperiment, das nach Interaktionen von leichter dunkler Materie (LDM) im Sub-GeV-Massenbereich in suprafluidem Helium sucht. Das Experiment wird 'large-area microcalorimeters', die sowohl im Vakuum als auch im Helium platziert sind, verwenden, um Photonen, Triplet-Excimer und Quasiteilchen zu messen, die durch Kern- und Elektronenrückstöße im Helium erzeugt wurden. Da das DELight-Experiment noch in seiner Entwicklungsphase ist, wurden mit einer R&D-Zelle, die magnetische Mikrokalorimeter verwendet, um Energiedepositionen im Helium zu messen,  bereits Messungen durchgeführt. Bei einer Messung an der Erdoberfläche, in der zusätzlich eine schwach aktive Alpha-Quelle vorhanden war, wurden Energieimpulse gemessen, die man auf die Wechselwirkung von Myonen der kosmischen Strahlung mit Helium zurückführte. 

Ziel dieser Arbeit war es, die Wechselwirkungen von Myonen in dieser Geometrie zu simulieren und das im Helium detektierte Spektrum zu rekonstruieren und dies mit dem gemessenen Impulshöhenspektrum zu vergleichen. Zusätzlich wurde das durch die schwache Alpha-Quelle (Am-241) verursachte Energiespektrum simuliert.

Keines der beiden simulierten Spektren gibt den, in den Daten beobachteten Gauß-Peak wieder. Zudem weisen sowohl die Alpha- als auch die Myonen-Simulation Ereignisraten auf, die deutlich über der gemessenen Rate liegen. Diese Diskrepanzen deuten darauf hin, dass Myonen der kosmischen Strahlung nicht über der Detektionsschwelle nachgewiesen werden konnten. Für die Alpha-Quelle bleibt der Quasiteilchen-Kanal eine mögliche, aber noch nicht bestätigte Ursache, da die Detektion von Quasiteilchen in der Simulation noch nicht implementiert ist. 

Obwohl die Studie die Ursache der gemessenen Impulse nicht eindeutig identifizieren konnte, schließt sie Myonen aus und hebt die Bedeutung hervor, Annahmen zum Detektorverhalten anhand von Simulationen zu validieren. Darüber hinaus liefert die Arbeit die Motivation für die nächsten geplanten Messungen mit der R&D-Zelle, vor dem V0-Prototyp.  

DELight is a direct search experiment currently in development designed to search for interactions of Light Dark Matter (LDM) in the sub-GeV mass range in superfluid helium. The experiment will implement vacuum and submerged large area microcalorimeters to detect photons, triplet-excimers, and quasiparticles produced through nuclear and electronic recoil in the helium. 
While the DELight experiment has not yet been built, measurements have already been taken using an  R&D cell, which also employs magnetic microcalorimeters as sensors to detect energy depositions in liquid helium (LHe). In an above-ground measurement containing a low-activity alpha source, energy pulses were measured, hypothesised to result from cosmic-ray muons interacting with the LHe. 

The purpose of this work was to simulate the interactions of cosmic ray muons in this geometry and reconstruct the detected energy spectrum, taking into account the signal partitioning, to compare it to the measured pulse height spectrum. Additionally, the energy spectrum caused by the low Alpha source (Am-241) was simulated. 

Neither simulated spectra reproduced the Gaussian peak observed in the data, and both the alpha and muon simulations predict event rates substantially higher than the measured rate. These discrepancies indicate that the muons traversing the LHe were not detected above threshold in the measurement. For the alpha source, the quasiparticle channel remains a plausible but unconfirmed candidate, as QP detection is not yet implemented in the simulation.

While this study could not conclusively determine the source of the measured pulses, it rules out cosmic ray muons and shows the importance of validating detector assumptions against simulation. Furthermore, this work motivates the planned follow-up measurements to examine the R&D cell's detection mechanism ahead of the V0 prototype cell.