Neutron Background Simulation for the CRESST - II Experiment

Abstract

In dieser Arbeit wird die Simulation des durch Neutronen induzierten Untergrunds für das CRESST-II Experiment zum direkten Nachweis dunkler Materie behandelt. Der von Neutronen induzierte Untergrund stellt einen fundamentalen, irreduziblen Untergrund für alle Experimente dar, die Dunkle Materie über die Messung der Rückstoßenergie eines streuenden Kerns nachweisen wollen. In dieser Arbeit geht es insbesondere um die Fragestellung, inwiefern die vom CRESST - II Experiment beobachteten Ereignisse durch Neutronenstreuung erklärbar sind.

Die astrophysikalische Motivation zur Suche nach dunkeler Materie} ist in dem heutigen kosmologische Standardmodell LambdaCDM gegeben, welches die Existenz dunkler Materie postuliert, welche weder elektromagentisch noch stark wechselwirken darf. Desweiteren muss die dunkele Materie kalt sein, denn Teilchen mit relativistischen Energien sind mit der beobachteten Strukturbildung im Universum nicht vereinbar. Sowohl supersymmetrische Modelle als auch Theorien mit zusätzlichen Dimensionen erlauben stabile Teilchen mit Massen zwischen 50 GeV und einigen TeV, diese als WIMPs (Weakly Interacting Massive Particle) bezeichneten Teilchen sind grundsätzlich auch experimentell beobachtbar.

Das CRESST -- II Experiment versucht den direkten Nachweis der schwache Wechselwirkung der WIMPs durch die Detektion des gestreuten Kerns. Das Experiment zeichnet sich durch eine hervorragende Diskriminierung des elektromagnetischen Untergrunds von Kernrückstössen aus. Ein nichtdiskriminierbarer Untergrund ist durch neutroneninduzierte Kernrückstösse gegeben.

Die Analyse der Wechselwirkung der Neutronen mit dem Aufbau des Experimentes und insbesondere die Energiedeposition in den verwendeten Detektoren erfordert den Einsatz von Monte - Carlo Simulationen. Hierbei wird das in der Teilchenpysik weit verbreitete GEANT4 Programmpaket verwendet.

Die Implementierung der Neutronenstreuung innerhalb von GEANT4 wird getestet und die notwendige Verbesserung des Programmcodes für die inelastische Neutronenstreuung in GEANT4 vorgestellt. Der getestete und verbesserte Code wird dann zur Simulation der bekannten Neutronenquellen für den CRESST - II Aufbau verwendet: - Neutronen, die im Umgebungsgestein des Aufbaus erzeugt werden. - Neutronen, die durch Verunreingungen von Uran und Thorium durch (alpha,n) Kernreaktionen und spontane Spaltungen erzeugt im Polyethylenschild werden. - Neutronen, die durch Spontanspaltung von Uran und Thorium im Bleischild erzeugt werden. - Neutronen, die durch (alpha,n)Reaktionen und Spontanspaltungen aufgrund der Verunreingung des Kupferschildes durch Uran und Thorium produziert werden. - Hochenergetische kosmogene Neutronen, welche durch Muonen der Höhenstrahlung erzeugt werden. Die Simulation erfolgt hierbei von einem resultierenden Neutronenspektrum welches die Startbedingungen der Neutronen beschreibt.

Die in den Simulationen ermittelte Untergrundsrate an Kernrückstössen im Intervall von 10 bis 40 keV von 6.33 x 10^{-3}cts kg^{-1}d^{-1} erreicht nur etwa ein Zwölftels des experimentell beobachteten Untergrundes. Da die Simulation des Experimentes ohne Polyethylenabschirmung mit dem gemessenen Untergrund gut übereinstimmt, ist die Diskrepanz nicht durch eine fehlerhafte Implementierung der Neutronenphysik innerhalb der Simulation zu erklären. Allerdings ist der den Untergrund dominierende kosmogene Neutronenfluss mit einer grossen Unsicherheit behaftet, dass sich der induzierte Untergrund leicht um einen Faktor drei erhöhen lässt. Selbst wenn die Divergenz von experimenteller und simulierter Untergrundrate ignoriert wird, unterscheiden sich Experiment und Simulation in einem weiteren Punkt:

Das Verhältnis von Ereignissen mit nur einem Detektortreffer zu Ereignissen mit mehreren Detektortreffern ist in den Simulationen größer als im Experiment.

Hierzu wird ebenfalls eine Vergleichssimulation des für die in Run 32 durchgeführte Neutronenkalibration mit einer Am - Be Neutronenquelle durchgeführt. Dabei ergibt unter Annahme von Effizienz und Totzeitkorrekturen eine Übereinstimmung der beobachteten koinzidenten Streuungen in mehreren Detektormodulen in Kalibration und Simulation.

Aufgrund der doppelten Diskrepanz des von der Simulation vorgesagten Untergrunds und der fehlenden Doppeldetektortreffern lässt sich folgern, dass es unwahrscheinlich ist, dass der beobachtete Untergrund in Run 32 des CRESST - II Experimentes von Neutronen verursacht wird.

This thesis presents the simulation of the neutron induced background for the CRESST - II experiment. This kind of background is of particular interest as the induced nuclear recoil can not be distigushed from a recoil due to the interaction of a weakly interacting massive particle (WIMP) and a nucleus. With regard to the CRESST - II experiment, the main question is if the observed background of run 32 can be explained by neutron sources.

Today's cosmological standard model, (LambdaCDM) demands the existence of non- baryonic, non-relativistic Dark Matter which is supported by many astronomical observations. Constraints on the annihilation-cross-section and the mass of the Dark Matter particles during the freeze out phase in the early Universe can be formulated as they have to match the correct relict density today. Non-observation of exotic matter rule out electro-magnetic and strong interactions of those particles. Structure formation prohibits that the Dark Matter particles are too energetic, they must propagate non-relativistically. This constraint rules out only candidate in the standard model of particle physics, the neutrino. Thus the search for Dark Matter is the search for physics beyond the standard model. Supersymmetric (SUSY) extensions of the standard model and theories with extra dimensions offer stable particles in the mass range of 50 GeV to a few TeV which are dubbed WIMPs which are generally experimentally accessible.

The CRESST - II experiment is an direct detection experiment looking for a nuclear recoil induced by the weak interaction of a WIMP on a scintillating CaWO_4 crystal. While charged background can be discriminated, a non discriminable background due to nuclear recoils due to neutron scattering remains.

The analysis of the interaction of the neutrons with the experimental setup and in particular the deposited energy in the detector modules requires the usage of Monte-- Carlo simulations. In this work, the GEANT4 monte - carlo framework is used. The implementation of the neutron physics in the GEANT4 package is tested and a necessary correction of the inelastic neutron scattering is presented.

The validated and enhanced code is then used for the simulation of the following neutron sources using the CRESST - II setup:

- Neutrons produced in the ambient rock and concrete around the experiment. - Neutrons produced via (alpha,n) and spontaneous fission (s.f.) reactions of U and Th contaminations in the polyethylene (PE) of the neutron shielding. - S.f. neutrons produced by contaminations in the lead shielding. - S.f. and (alpha,n)neutrons from contaminations of the copper shielding. - High energetic cosmogenic neutrons produced by cosmogenic muons. The primary particles in the simulation are the neutrons.

For a setup of ten operational detectors a background of nuclear recoils of 6.33 times 10^{-3}cts kg^{-1}d^{-1} is found in the energetic region of interest between 10 - 40 keV, which is only one twelfth of the experimentally observed rate of events.

Since the simulation of the unshielded experimental setup is in good agreement with the experimental result, an error in the implementation of the neutron physics can be excluded. It is more probable that the uncertainty of dominating background contribution given by the cosmogenic neutron flux may reduce the discrepancy to a factor of four. There is another independent observable which can be checked, however:

The distribution of single detector hit events to double detector hit events observed in the experiment does not match the one predicted by the simulations.

On the other hand, the simulation of the neutron calibration of run 32 of the CRESST - II experiment yields a double detector event rate in agreement with the experimental one observed for the neutron calibration.

The combination of the results on background rate in the nuclear recoil band and on the double detector hit events allow the conclusion to be drawn, that it is highly unlikely that the observed background of run 32 is induced by neutrons.