Study of Muon-Induced Background in Direct Dark Matter and Other Rare Event Searches

Abstract

Most of the matter in the Universe is dark and is assumed to consist of up to now undetected massive particles which rarely interact with normal matter. The most likely candidates for these particles are the WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles). To find these particles huge detectors with masses of about one tonne are needed, and still only a few Dark Matter induced events per year can be expected to be seen. The interactions of cosmic rays and local radioactivity are of course much more copious than that. A type of detector commonly used in Dark Matter search experiments is the cryogenic detector with simultaneous multichannel readout (e.g., scintillation and phonon signals) to discriminate nuclear recoils from other events. It can distinguish WIMPs from charged matter but not so easily from neutrons. Therefore it is important to shield the detectors from neutrons as well as possible and to know the number of neutrons still passing through the shielding as precisely as possible. These detectors are therefore placed deep underground and surrounded by specific shieldings. As the future Dark Matter search experiment EURECA (European Underground Rare Event Calorimeter Array) will be located in a newly built underground laboratory it is possible to integrate the shielding directly into the laboratory hall. The aim of the present work is to determine the optimum shielding strategy against muon-induced neutrons with respect to the selection and thickness of the shielding materials as well as the design of the laboratory. Monte Carlo simulations based on the GEANT4 toolkit are used for this purpose. It is found that a pool design in which the cryostat is directly submerged in water is favoured over a submarine design in which the entire hall is placed in water as the additional background from the steel walls of the “submarine” nullifies the shielding effects of the water. With a pool design the necessary low background of 1 count/(tonne*year) can be reached.

Der größte Teil der Materie im Universum ist dunkel und besteht vermutlich aus bisher unbeobachteten massebehafteten Teilchen, die nur selten mit normaler Materie wechselwirken. Die wahrscheinlichsten Kandidaten hierfür sind die WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles, schwach wechselwirkende massebehaftete Teilchen). Um diese Teilchen nachzuweisen, werden riesige Detektoren mit Massen von ungefähr einer Tonne benötigt, und trotzdem kann man nur ein paar wenige von Dunkler Materie hervorgerufene Ereignisse pro Jahr erwarten. Wechselwirkungen von kosmischer Strahlung und Umgebungsradioaktivität sind natürlich sehr viel häufiger. In Experimenten zur Suche nach Dunkler Materie werden oft kryogene Detektoren verwendet, die gleichzeitig mehrere Kanäle auslesen (z.B. Szintillation und Phononensignale), um Kernrückstöße von anderen Ereignissen zu diskriminieren. Diese Detektoren können WIMPs zwar von geladener Materie unterscheiden, jedoch nicht so leicht von Neutronen. Deshalb ist es wichtig, die Detektoren so gut wie möglich gegen Neutronen abzuschirmen und die Zahl der Neutronen, die doch noch durch die Abschirmung hindurchkommen, so genau wie möglich zu kennen. Sie werden tief unter der Erde aufgestellt und mit speziellen Abschirmungen umgeben. Da das zukünftige Experiment zur Suche nach Dunkler Materie EURECA (European Underground Rare Event Calorimeter Array, Europäische unterirdische Anordnung von Kalorimetern für seltene Ereignisse) in einem neu gebauten Untergrundlabor angesiedelt sein wird, ist es möglich, die Abschirmung direkt in die Laborhalle zu integrieren. Das Ziel dieser Arbeit ist es, die optimale Abschirmstrategie gegen myoninduzierte Neutronen im Hinblick auf die Auswahl und Dicke der Abschirmmaterialien und auf das Design des Labors zu bestimmen. Hierfür werden Monte Carlo Simulationen unter Verwendung des GEANT4-Toolkits durchgeführt. Es stellt sich heraus, dass ein Design mit einem Becken, in dem der Kryostat direkt in Wasser getaucht ist, vorteilhaft gegenüber einem U-Boot-Design ist, in dem die gesamte Halle im Wasser platziert ist, da der zusätzliche Untergrund von den Stahlwänden des “U-Boots” die Abschirmeffekte des Wassers wieder zunichte macht. Mit einem Beckendesign lässt sich der benötigte niedrige Untergrund von 1 Ereignis pro Tonne Detektormaterial und Jahr erreichen.