DANAE

DANAE (Direct dArk matter detection using DEPFET with repetitive Non-destructive readout Application Experiment)

Dunkle Matterie ist eines der großen Rätsel der Physik. Hinweise für die Existenz Dunkler Materie gibt es durch mehrere unabhängige Beobachtungen und ihre Existenz gilt als gesichert, worum es sich bei Dunkler Materie handelt ist jedoch immer noch unbekannt. Eine Möglichkeit ist die Existenz eines neuen, bisher nicht beobachteten Teilchens. Derzeit gibt es mehrere Experimente die versuchen dieses Teilchen durch eine direkte Interaktion mit Materie zu beobachten.

Dunkle Materie sollte schwach mit normaler Materie interagieren. Eine der möglichen Interaktionen ist die Streuung eines DM Teilchens an einem Electron. In einem Siliziumsensor, findet diese Interaktion mit einem gebundenen Elektron des Siliziumkristalls statt. Die Herausforderung dabei ist, dass bei dieser Interaktion nur eine sehr kleine Menge an Energie auf das Elektron übertragen wird und folglich bei jeder Streuung nur eine sehr kleine Ladungsmenge im Silizium entsteht. Um diese kleinen Ladungsmengen zu beobachten ist ein Sensor notwendig der idealerweise kein Eigenrauschen hat [3].

Abbildung 1 Die Sensitivität für verschiedene Sensorkonfigurationen und Rauschschwellen ist in Bild 1 zusammen mit bereits erreichten Sensitivitäten anderer Experimente dargestellt. Die verschiedenfarbigen Kurven zeigen den interaktionsquerschnitt in Abhängigkeit der DM Teilchenenergie für die verschiedenen Sensorkofigurationen.

Der Limitierende Faktor für Standardfiltertechniken ist normalerweise das 1/f (1 über f) Rauschen des Detektorsystems [4]. Mit einem DePFET ist es möglich die gesammelte Ladungsmenge mehrfach zu Messen und dadurch diese Limitierung zu beseitigen. Vereinfacht kompensieren sich die Messfehler der einzelnen Messungen durch die Mittelwertsbildung, folgend dem zentralem Grenzwertsatz. Auf diese Weise ist es möglich das Rauschen so weit zu reduzieren, dass sogar einzelne Elektronen nachgewiesen werden könne.

Für DANAE werden wir die erste DePFET RNDR matrix betreiben. Das erste Ziel ist zu zeigen, dass Einzelelektronenauflösung in jedem Pixel einer 64x64 Pixelmatrix erreicht werden kann. Auf lange Sicht soll ein deutlich größeres Sensorvolumen über mehrere Jahre betrieben werden um eine ausreichend hohe Sensitivität für Dunkle Materie zu erzielen [3].


References and further reading:

1) G. Bertone, D. Hooper and J. Silk, Phys. Rept. 405, 279 (2005) https://arxiv.org/abs/hep-ph/0404175

2) H. Baer, K.Y. Choi, J.E. Kim and L. Roszkowski, Phys. Rept. 555, 1 (2015)

3) A. Baehr, H. Kluck, J. Ninkovic, J. Schieck, J. Treis, „DePFET detectors for direct detection of MeV Dark Matter particles”, EPJ C 77 (12), June 2017, https://arxiv.org/abs/1706.08666

4) E. Gatti et. Al, “Suboptimal filtering of 1/f-noise in detector charge measurements”, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A297 (1990), 467-478

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