Inhaltszusammenfassung:
Dunkle Materie ist eines der größten Mysterien der modernen Physik und einer der
Schlüssel zum Verständnis des Universums. Seit über 30 Jahren ist die Suche nach
Dunkle-Materie-Teilchen mit schwacher Wechselwirkung (WIMPs) erfolglos, was da
zu führte, dass der Fokus von Experimenten, die nach dunkler Materie suchen, wie
CRESSTsich zu Wechselwirkungen auf der subschwachen Skala verschob. Das CRESST
Experiment ist ein kryogenes Direkt-Nachweis-Experiment mit dem Ziel, den Rückstoß
von Teilchen aus dem dunklen Halo, der unsere Galaxie umgibt, an Kernen in einem
Targetkristal mit Hilfe von supraleitenden Thermometern zu detektieren. Um den neu
gewonnenen Parameterbereich zu erforschen, muss das Experiment sensitiver für nied
rigere Dunkle-Materie-Massen im sub-GeV/c2-Bereich werden. Hierfür werden sensiti
vere Detektoren mit niedrigeren Energieschwellen benötigt. Neben der Entwicklung von
neuen Detektordesigns wurde ein Softwaretrigger in [1] eingeführt, der einen digitalen
Filter zur Optimierung der Signal-Rausch-Verhältnisse verwendet [2]. Der erste Teil die
ser Thesis fokussiert sich auf den Versuch, die Implementierung der Filter im derzeiti
gen CRESST-Analyse-Framework zu optimieren. Die Idee, zusätzliche Bandpassfilter zu
verwenden, die ungewünschte Rauschfrequenzen und computerbasierte Artefakte weiter
unterdrücken sollen wurde untersucht. Eine Verbesserung der Auflösung im Niedrigener
giebereich und der Energieschwelle konnte jedoch nicht erreicht werden. Dabei wurde
erfolgreich ein neuer niederenergetischer Referenzpeak für eine präzisere Energiekali
brierung des Rückstoßspektrums verwendet.
Bei neuesten Messungen konnten Energieschwellen von bis 10eV erreicht werden [3], dies
brachte jedoch eine neue Herausforderung mit sich. Im Energiebereich unter 200eV ist ein
exponentiell-ähnlicher Anstieg an Ereignissen in Richtung der Trigger Schwelle in allen
in CRESST betriebenen Detektoren zu beobachten. Das Energiespektrum der Ereignisse
imitiert ein Dunkle-Materie-Signal, aber eine relativ kurze Zerfallszeit schließt eine Er
klärung durch dunkle Materie aus. Ein neuer Fokus, um das Signal zu verstehen und zu
entfernen, wurde gesetzt. Der zweite Teil dieser Thesis zeigt eine Niedrigenergieanalyse
eines CRESST-III-Moduls, das für [4] produziert und analysiert wurde. Vollständigkeits
halber wird eine Wiederholung der standard spinunabhängigen Analyse zur Setzung von
Ausschlussgrenzen für Dunkle-Materie-Massen präsentiert. Die Zeit-, Energie- und Tem
peraturabhänigkeit der beobachteten Überschussereignisse wird untersucht. Eine zweite
Dunkle-Materie-Analyse wird an einem Datenset mit geringem Überschuss, entstanden
durch den zeitlichen Zerfall, durchgeführt. Die resultierende Ausschlussgrenze erreicht
niedrigere Wechselwirkungsquerschnitte im selben Massebereich mit signifikant geringe
rer Exposition, was die begrenzende Natur der Niedrigenergie-Überschussevents in der
Suche nach niedermassiger, dunkler Materie demonstriert.
Abstract:
Dark matter is one of the greatest mysteries of modern physics and one of the keys to
understanding our universe. For more than 30 years, searches for weakly-interacting
dark matter particles (WIMPs) have been unsuccessful, resulting in dark matter search
experiments like CRESST to focus on interactions on the sub-weak scale. The CRESST
experiment is a cryogenic direct detection experiment aiming to detect the recoil of
particles in the dark matter halo surrounding our galaxy. The experiment utilizes super
conducting thermometers to detect the recoil of dark matter particles on target nuclei.
To explore the new open parameter space, the experiment needs to be sensitive to lower
dark matter masses in the sub-GeV/c2 scale, requiring more sensitive detectors with
lower thresholds. Besides the development of new detector modules, a software trigger
was introduced in [1] using a digital filter to optimise the signal to noise ratio [2]. The
f
irst part of this thesis focuses on an attempt to further optimise the implementation
of the filter in the current CRESST analysis framework. The idea of using additional
band-pass filters to further suppress unwanted noise frequencies and computational arte
facts is explored, but an improvement in energy resolution and threshold could not be
achieved. In the process, a new lower energetic reference peak was successfully used for
a more accurate energy calibration of the recoil spectrum.
In recent measurements, thresholds as low as 10eV could be reached [3], but this in
troduced a new challenge. In the energy range below 200eV, an exponential-like rise
of events is observed towards the threshold in all detectors operated in CRESST. The
events mimic a dark matter signal in energy, but a relatively fast time decay can be
seen, excluding a dark matter explanation. A new focus is set to understand or remove
the excess signal. The second part of this thesis shows the low energy analysis of a
CRESST-III module that was produced and analysed for [4]. For completeness, a repe
tition of the standard spin-independent analysis to set dark matter exclusion limits that
was performed in the scope of this thesis is presented. The time, energy, and tempera
ture dependence of the observed excess events are studied. A second dark matter search
analysis is performed on a data set with reduced excess event rate, taking advantage of
the excess time decay. The resulting exclusion limit reaches lower interaction cross sec
tions in the same mass range with significantly less exposure, demonstrating the limiting
nature of the low energy excess events to low mass dark matter search in CRESST.
