Exploring Methods to Increase Sensitivity in Low Mass Dark Matter Search for CRESST-III

Abstract

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.

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.