Direkte Dunkle-Materie-Suchen bieten eine herausragende Möglichkeit, eines der größten Rätsel unseres Universums zu entschlüsseln. Die gängigste Strategie ist die Suche nach elastischer, spinunabhängiger Streuung zwischen dunkler Materie und Atomkernen, die in empfindlichen Detektoren winzige Kernrückstöße erzeugen würde. Gleichzeitig sind viele Experimente auch empfindlich für alternative Kandidaten für Dunkle Materie und Wechselwirkungskanäle, darunter "axion-like particles" (ALPs) oder dunkle Photonen. Da die erwartete Wechselwirkungsrate extrem gering ist, müssen diese Experimente extrem niedrige Hintergrundraten erreichen. Folglich werden sie typischerweise in tiefen Untergrundlaboren betrieben, um sie vor kosmischer Strahlung abzuschirmen, und stützen sich auf äußerst radioreine Detektormaterialien und sorgfältige Techniken zur Hintergrundunterdrückung. Verschiedene experimentelle Ansätze sind für unterschiedliche Bereiche des Parameterraums der Dunklen Materie optimiert. So verwenden beispielsweise das CRESST Experiment und das bevorstehende DELight Experiment kryogene Kalorimeter mit außergewöhnlich niedrigen Energieschwellen, wodurch sie besonders empfindlich für leichte Dunkle Materie im Massenbereich unterhalb von ca. 1 GeV sind. Im Gegensatz dazu verwenden zum Beispiel das XENONnT Experiment und das geplante XLZD Experiment zweiphasige Xenon-Zeitprojektionskammern und konzentrieren sich auf den traditionelleren GeV–TeV-Massenbereich der Dunklen Materie, wo sie unter anderem aufgrund ihrer sehr großen Targetmassen weltführende Ergebnisse erzielen.
Das DELight-Experiment (Direct search Experiment for Light dark matter) ist ein neues Experiment, das derzeit geplant und konzipiert wird und parallel dazu R&D Daten nimmt. Als aktives Target dient das Edelgas Helium-4, welches sich aufgrund seiner geringen Kernmasse besonders gut für die Suche nach leichter dunklen Materie eignet. Grund hierfür ist der größere und damit messbare Rückstoß eines Heliumkerns als Streupartner im Vergleich zu schweren Streupartnern.
DELight wird mit „Large-Area cryogenic MicroCALorimeters“ (LAMCALs) instrumentiert werden, welche auf ultra-sensitiven Energiedetektoren, sogenannten magnetischen Mikrokalorimetern (MMC) basieren. Diese messen die drei unterscheidbaren Signalkanäle, die durch den Rückstoß der Heliumkerne entstehen: Phononen/Rotonen, Photonen und Helium-Exzimere. Bei einem Kernrückstoß wird ein deutlich größerer Energieanteil auf Phononen und Rotonen übertragen, als bei einem Elektronrückstoß, was es ermöglicht, zwischen den beiden Signaturen zu unterscheiden und so den Hintergrund zu unterdrücken, der hauptsächlich aus Elektronenstreuung besteht.
In meinem Team arbeiten wir an umfassenden Simulationsstudien zur Maximierung der Effizienz und Sensitivität des Detektors durch die Optimierung der Geometrie sowie durch ein detailliertes Verständnis der Hintergrundereignisse und der Signalproduktion im suprafluiden Helium. Parallel hierzu entwickelt mein Team das Datennahme- und Triggersystem mit dem Ziel eines totzeitfreien Systems mit möglichst niedriger Nachweisschelle. In Heidelberg arbeiten wir eng mit der Gruppe von Prof. Dr. Christian Enss am KIP zusammen, die die Helium Zelle und kryogene Plattform von DELight entwickelt.
Das CRESST Experiment (Cryogenic Rare Event Search with Superconducting Thermometers) ist eines der führenden Experimente für den direkten Nachweis von Dunkler Materie. CRESST verwendet kryogene Detektoren und zielt darauf ab, Teilchen der Dunklen Materie, insbesondere schwach wechselwirkende massive Teilchen (WIMPs), nachzuweisen. Hierzu werden szintillierende Kristalle eingesetzt, die in der Standardkonfiguration aus Calciumwolframat (CaWO4) bestehen und bei Temperaturen im Millikelvinbereich betrieben werden. Dieser experimentelle Aufbau ermöglicht eine höchst präzise Messung der Energie, die durch mögliche Wechselwirkungen der Dunklen Materie im Detektor deponiert wird.
Die CRESST Detektoren sind mit supraleitenden Phasenübergangsthermometern (Transition-Edge-Sensors, TES) ausgestattet, die sowohl Phononen- (Wärme-) als auch Szintillationslichtsignale messen, die durch Teilchenwechselwirkungen innerhalb der Kristalle erzeugt werden. Dieser Ansatz mit zwei Signalkanälen ermöglicht es, zwischen verschiedenen Arten von Wechselwirkungen zu unterscheiden und erhöht damit die Empfindlichkeit des Experiments gegenüber möglichen Signalen Dunkler Materie.
Jedes CRESST Detektormodul in der Standardkonfiguration besteht aus einem etwa 25 g schweren CaWO4-Kristall, der mit einem Lichtdetektor gekoppelt ist. Wenn ein Teilchen mit dem Kristall wechselwirkt, entstehen eine kleine Menge Wärme sowie Szintillationslicht. Die Wärme wird vom TES auf dem Kristall gemessen, während das Licht von einem separaten Lichtdetektor registriert wird. Das Verhältnis zwischen Phonon- und Lichtsignal ermöglicht die Unterscheidung zwischen Kernrückstößen (mögliche Wechselwirkungen von Dunkler Materie) und Elektronenrückstößen (Hintergrundereignisse).
Das Experiment befindet sich im Gran-Sasso-Untergrundlabor (LNGS) in Italien und profitiert von der massiven Abschirmung des Labors, die den Hintergrund durch kosmische Strahlung erheblich reduziert. Diese Umgebung mit sehr niedrigem Untergrund, kombiniert mit der hohen Empfindlichkeit kryogener Detektoren, ermöglicht es CRESST, neue Bereiche des Parameterraums bei der Suche nach Dunkler Materie zu erschließen.
Für Analysen sehr nahe an einer niedrigen Energieschwelle ist ein detailliertes Verständnis der Rohdaten sowie der Ursachen und Einflüsse auf die Rausch-Basislinie von größter Bedeutung. Mein Team beschäftigt sich daher insbesondere mit der Analyse von Rohdaten. Ein Schwerpunkt liegt dabei auf der Entwicklung von Algorithmen auf der Basis von maschinellem Lernen. Im Hinblick auf ein groß angelegtes Upgrade von CRESST werden bestehende KI-Algorithmen zudem weiterentwickelt, um eine automatisierte Datenverarbeitung zu ermöglichen.
Das XENONnT Experiment ist ein führendes Experiment zur direkten Suche nach Dunkler Materie, das im Gran-Sasso-Nationallabor (LNGS) in Italien betrieben wird. Es ist Teil des XENON Programms und zielt darauf ab, Teilchen der Dunklen Materie, insbesondere schwach wechselwirkende massive Teilchen (WIMPs) mit Massen von über etwa 6 GeV, durch ihre seltenen Wechselwirkungen mit Xenonatomen nachzuweisen. Das Experiment befindet sich tief unter der Erde, um Hintergrundereignisse durch kosmische Strahlung zu reduzieren.
XENONnT nutzt eine große zweiphasige (flüssig–gasförmige) Xenon-Spurendriftkammer (TPC, Time Projection Chamber), die mehrere Tonnen hochreines flüssiges Xenon enthält, von denen etwa 5,9 Tonnen als aktives Target dienen. Aufgrund seiner hohen Kernmasse, die die Wahrscheinlichkeit einer Wechselwirkung erhöht, sowie seiner Fähigkeit, bei Teilchenwechselwirkungen sowohl Szintillationslicht als auch Ionisationssignale zu erzeugen, ist Xenon besonders gut für die Suche nach dunkler Materie im GeV- bis TeV-Bereich geeignet.
Der Detektor misst zwei unterschiedliche Signal-Kanäle: ein promptes Szintillationssignal und ein verzögertes Ionisationssignal. Wenn ein Teilchen im flüssigen Xenon wechselwirkt, erzeugt es einen initialen Szintillationslichtblitz sowie Ionisationselektronen. Diese Elektronen driften in einem elektrischen Feld nach oben und werden in die Gasphase extrahiert, wo sie ein zweites Lichtsignal erzeugen. Die Kombination beider Signale ermöglicht eine präzise Rekonstruktion der deponierten Energie und des Orts der Wechselwirkung sowie die Unterscheidung zwischen Kernrückstößen (mögliche Dunkle-Materie-Signale) und Elektronenrückstößen (Hintergrundereignisse).
XLZD (kurz für XENON, LUX-Zeplin und DARWIN) ist eine koordinierte Initiative zur Entwicklung der nächsten Generation eines Dunkle-Materie-Experiments mit flüssigem Xenon. Ziel ist es, die Expertise und Technologien der führenden Kollaborationen zu bündeln, um einen Detektor im Multi-Zehn-Tonnen-Maßstab mit beispielloser Empfindlichkeit zu realisieren, der bis in den sogenannten Neutrino-Nebel vordringt, also in den Signalbereich kohärenter elastischer Neutrino-Kern-Streuung (CEvNS).
Mein Team konzentriert sich hauptsächlich auf das Computing innerhalb von XENONnT sowie auf das Datennahmesystem für XLZD. In Heidelberg arbeiten wir eng mit dem Team von Prof. Dr. Stephanie Hansmann-Menzemer am PI zusammen und stehen in regelmäßigem Austausch mit der Gruppe von Prof. Dr. Teresa Marrodán Undagoitia am MPIK.
Unter diesem Link finden Sie eine Auswahl meiner und unserer wichtigsten Publikationen in Journalen.
