Das DELight Experiment
Suprafluides Helium-4
Ein Beispiel für den Fontänen-Effekt von suprafluidem Helium. Foto zur Verfügung gestellt von Prof. Dr. Christian Enss.Bei Temperaturen unter 2,17 K beginnt Helium-4, sich wie ein Fluid ohne Viskosität zu verhalten, und zeigt dabei mehrere faszinierende Eigenschaften, darunter die Tendenz, an festen Oberflächen hochzukriechen und aus Behältern zu fließen. Eine der beeindruckendsten Eigenschaften ist der sogenannte Springbrunnen-Effekt, bei dem ein dünnes Rohr in einen Behälter mit suprafluidem Helium eingeführt und dann erhitzt wird. Der untere Teil des Rohrs ist mit einem Material verschlossen, durch das nur das suprafluide Helium fließen kann. Das Helium im Rohr wird ausgestoßen und bildet Fontänen von bis zu 30 cm Höhe. Ein Beispiel für einen suprafluiden Helium-Springbrunnen ist rechts abgebildet.
Warum suprafluides Helium-4?
Suprafluides Helium-4 weist mehrere Eigenschaften auf, die es zu einem idealen aktiven Medium für die Suche nach leichter Dunkler Materie (LDM) machen.
- Geringe atomare Masse
- Keine intrinsischen langlebigen Radioisotope
- Alle anderen Verunreinigungen frieren aus, was es sehr rein macht
- Im Vergleich zu anderen möglichen Materialien wie Xenon relativ kostengünstig
Wenn ein Teilchen in supraflüssigem Helium-4 wechselwirkt, führt die zugehörige Energiedeposition zu einer Kaskade von Prozessen, die in der Verteilung der deponierten Energie zwischen Quasiteilchen (Phononen und Rotonen, die Quanten der Schwingung), Licht (hauptsächlich ultraviolett und etwas infrarot) und langlebigen Triplett-Exzimern endet.
Die Aufteilung der Energie zwischen den verschiedenen Kanälen hängt davon ab, ob die Wechselwirkung zu einem Kernrückstoß oder einem Elektronenrückstoß geführt hat; das heißt, ob das einfallende Teilchen mit dem Kern oder mit Elektronen interagiert hat. Aus diesem Grund ist es möglich, Elektronenrückstoße von Kernrückstößen zu unterscheiden. Bei der Suche nach Wechselwirkungen zwischen leichter Dunkler Materie und dem Kern bedeutet dies, dass Hintergrundereignisse durch Elektronenrückstöße verworfen werden können.
Experimentelle Apparatur
Die erste Phase des DELight-Experiments besteht aus einem Volumen von 10 Litern suprafluidem Helium, das mit sogenannten „Magnetischen Microkalorimetern” (MMC) instrumentiert ist [1]. Über dem Volumen des suprafluiden Heliums herrscht Vakuum. Quasiteilchen aus Teilchenwechselwirkungen können Heliumatome aus der Heliumoberfläche herauslösen, in einem Prozess, der als Quantenverdampfung bekannt ist. Die Atome werden anschließend von MMC-Kalorimetern erfasst, die über der Flüssigkeitsoberfläche positioniert sind.
Die kryogenen Temperaturen von 10 mK werden durch einen Verdünnungskühlschrank erreicht, der die Mischwärme der Isotope 3He und 4He nutzt, um Kühlleistung bereitzustellen.
Eine bedeutende Herausforderung, die bewältigt werden muss, resultiert aus der Eigenschaft von suprafluidem Helium, als dünner Film die Wände hinaufzukriechen. Der Heliumfilm würde letztendlich die Kalorimeter, die sich über dem flüssigen Helium befinden, erreichen und deren Empfindlichkeit verringern. Um dieses Problem zu vermeiden, wird DELight einen „Film-Brenner” implementieren, der den Film über beheizte Schikanen verdampft.
Magnetische Mikrokalorimeter
Schema eines vorläufigen Konzepts für einen DELight MMC.Magnetische Mikrokalorimeter (MMC) bestehen aus einem Teilchenabsorber und einem paramagnetischen Temperatursensor, der in einem schwachen Magnetfeld platziert ist, was eine temperaturabhängige Magnetisierung erzeugt. Wenn ein Teilchen im Absorber Energie deponiert, kommt es zu einer Temperaturerhöhung. Der Sensor steht in direkter thermischer Verbindung mit dem Absorber und erhöht ebenfalls seine Temperatur, was zu einer Änderung der Magnetisierung führt. Diese Änderung kann sehr präzise als Veränderung des magnetischen Flusses gemessen werden, indem ein supraleitendes Quanteninterferenzgerät (SQUID) verwendet wird.
MMC-Kalorimeter können eine außergewöhnlich hohe Energieauflösung erreichen: Eine Auflösung von 1,3 eV bei 6 keV Röntgenstrahlen wurde bereits demonstriert [2,3]. Für DELight erwarten wir ebenfalls eine Energieauflösung im Bereich von Elektronenvolt, was zu einer Energieschwelle von 10-20 eV führt.
Die erste Phase von DELight wird 50 "large-area microcalorimeters" (LAMCALs) verwenden, die auf Magnetischen Mikrokalorimetern (MMC) basieren, mit hochreinen Silizium- oder Saphirwafern als Absorber. Ein Fünftel der LAMCALs wird über dem flüssigen Helium platziert, um die durch Quasiteilchen verdampften Heliumatome sowie UV-Photonen zu detektieren, während sich die übrigen LAMCALs in der Supraflüssigkeit befinden werden, um sowohl UV-Photonen als auch die langlebigen Triplett-Exzimere zu messen.
Empfindlichkeit auf Dunkle Materie
Grafik erstellt im Juni 2022 Ein wichtiger Parameterraum für die Suche nach Dunkler Materie ist der Raum der Wechselwirkungsstärke gegenüber der Dunkle-Materie-Masse. Diagramme dieser Art können das Entdeckungspotenzial zukünftiger Messungen zeigen oder Einschränkungen durch die Nichtentdeckung von Dunkler Materie in abgeschlossenen Suchen aufzeigen. Ein großer Teil des Parameterraums für den spinunabhängigen nuklearen Streuquerschnitt für Dunkle Materie mit Massen über etwa 10 GeV/c2 wurde bereits ausgeschlossen.
Die Sensitivitätskurven von DELight nehmen an, dass es keine Hintergrundereignisse gibt und verwenden eine zunehmende Datenmenge (angegeben als das Produkt aus der Masse des Detektors und der kumulierten Zeit, in der der Detektor betriebsbereit ist und aktiv nach Dunkler Materie sucht) sowie eine sinkende Energieschwelle. Dies demonstriert den Parameterraum, der ausgeschlossen werden könnte, und damit das Potenzial von DELight. Die Neutrino-Signalregionder Bereich, in dem ein Dunkle-Materie-Signal nicht von einem Neutrino-Signal unterschieden werden kann in He, wie in Ref. [4] berechnet, sowie der bereits von CRESST [5], DarkSide-50 [6], und XENON-1T [7,8] ausgeschlossene Parameterbereich werden ebenfalls dargestellt.
Referenzen
[2] M. Krantz, F. Toschi, B. Maier, G. Heine, C. Enss, and S. Kempf, Magnetic microcalorimeter with paramagnetic temperature sensors and integrated dc-SQUID readout for high-resolution X-ray emission spectroscopy, Applied Physics Letters 124 (2024) 032601
[3] F. Toschi, B. Maier, G. Heine, T. Ferber, S. Kempf, M. Klute, and B. von Krosigk, Optimum filter-based analysis for the characterization of a high-resolution magnetic microcalorimeter towards the DELight experiment, arXiv:2310.08512 (2023)
[4] F. Ruppin, J. Billard, E. Figueroa-Feliciano and L. Strigari, Complementarity of dark matter detectors in light of the neutrino background, Phys. Rev. D 90, 083510 (2014)
[5] A. H. Abdelhameed et al., First results from the CRESST-III low-mass dark matter program, Phys. Rev. D 100, 102002 (2019)
[6] P. Agnes et al., Low-mass dark matter search with the DarkSide-50 Experiment, Phys. Rev. Lett. 121, 081307 (2018)
[7] E. Aprile et al., Dark matter search results from a one ton-year exposure of XENON1T, Phys. Rev. Lett. 121, 111302 (2018)
[8] E. Aprile et al., Search for coherent elastic scattering of solar 8B neutrinos in the XENON1T dark matter experiment, Phys. Rev. Lett. 126, 091301 (2021)