Untersuchung neuer Absorbermaterialien für Detektoren zur direkten Suche nach dunkler Materie

Nowadays there is strong evidence that a large fraction of the matter in the universe is of a yet unknown type, which is usually called dark matter (DM). It is not composed of quarks and also not interacting electromagnetically. The CRESST dark matter search is looking for signatures of these DM particles by calorimetrically measuring the recoil energies of particles hitting an array of well shielded CaWO4 crystals with ~10 kg combined mass at operating temperatures of a few mK. Electromagnetically interacting particles are discriminated by simultaneously measuring the produced scintillation light for each recoil. As the current upper limits for the DM-to-normal matter interaction cross section are on the level of 8 • 10−46 cm2, large target masses are needed to achieve sufficient sensitivities to detect the DM recoils. Therefore, in order to increase the capacity for testing, characterizing and further improving CRESST-type detectors, a new shallow underground laboratory was set up during this thesis. One of the major advantages of the CRESST-type detectors is the flexibility in choice of the target material, as there is a large number of scintillating crystals available. This is of importance, as the DM cross section is expected to scale with mass number A2. Therefore, this thesis investigated the possible use of Sodium Iodide (NaI) and Lithium Fluoride (LiF) as absorber crystals. NaI is interesting, as there is a claim of a DM-induced modulation signal in NaI(Tl) scintillation counters by the DAMA collaboration, attributed to Earth’s motion relative to a DM halo. This thesis discusses if a NaI crystal can be used in a CRESST-type DM detector and under which conditions the DAMA signal could be probed with such a device. It is shown that only a small target mass of ~1 kg is enough to test this claim. As NaI is highly hygroscopic, it has never been used in low temperature detectors. In this work a handling procedure was developed and tested that allows to operate such crystals in a dilution refrigerator. It has been shown that the cooling and the gluing of the thermometer can be achieved without damaging the material. The operation of a prototype could though not yet be demonstrated due to contacting issues, which can however be overcome. As a part of the investigation, the light yield (LY) of pure NaI and NaI(Tl) under α irradiation was measured as a function of the temperature, to check if there is sufficient light at low temperatures to allow for efficient discrimination of electromagnetically interacting particles. For pure NaI a LY of 1.2 times that of CaWO4 was measured at 6K, which is also found for NaI(Tl). Comparing to available data at 78K, it seems that even a factor of up to 2.15 is possible. The LY data of pure NaI above 4K confirmed the findings of the only available study on this subject and was extended below 4K for the first time. For NaI(Tl) an increase in the LY below 60K was discovered. Decay time studies of the pure and the doped sample were performed and gave strong indications that the LY behavior of NaI(Tl) at low temperatures is dominated by the “pure” lattice properties and thus no longer associated to the Tl+ centers, but due to self-trapped exciton emission. LiF was studied as a possible option to monitor the neutron flux inside the CRESST setup, as neutrons can mimic DM signals. Additionally, the LY of LiF was measured to check if the crystal could also be used for DM detection. At 1.6K a value of 450 ± 50 (ph/MeV) was found for a synthetically grown crystal and 420 ± 50 (ph/MeV) for a natural crystal of similar size at 1.8K. The values agree well with the only other available publication on this subject. No difference between the natural and the synthetic sample could be found. A slightly better neutron detection performance was calculated for LiF, compared to CaWO4, yet due to the low light output the material cannot be used for DM detection. Investigating the decay time behavior of LiF below 60K, a fast decay time constant with τ = 5 ± 0.8 ns was discovered that has not been reported in literature yet.Es gibt heutzutage starke Hinweise darauf, dass ein großer Teil der Materie im Universum aus unbekannten Teilchen, gewöhnlich Dunkle Materie (DM) genannt, besteht. Diese sind nicht aus Quarks aufgebaut und wechselwirken nicht elektromagnetisch. Das CRESST Experiment zur Suche nach DM hält nach Spuren dieser Teilchen Ausschau, indem die Rückstoßenergien von Teilchen in gut abgeschirmten CaWO4 Kristallen mit ca. 10 kg Gesamtgewicht, die bei Temperaturen von einigen mK betrieben werden, kalorimetrisch gemessen werden. Elektromagnetisch wechselwirkende Teilchen können durch die gleichzeitige Messung des pro Rückstoß produzierten Szintillationslichts diskriminiert werden. Da die derzeitige Obergrenze für den Wechselwirkungsquerschnitt von Dunkler Materie im Bereich von 8 • 10−46 cm2 liegt, sind große Detektormassen notwendig, um genügend Sensitivität zu erreichen, damit DM-Rückstöße nachgewiesen werden können. Deshalb wurde im Rahmen dieser Arbeit ein neues Untergrundlabor eingerichtet, um Detektoren vom CRESST-Typ zu testen, zu charakterisieren und weiterzuentwickeln. Einer der größten Vorteile der CRESST-Detektoren ist die Flexibilität in der Wahl des Absorbermaterials, da es eine große Anzahl an szintillierenden Kristallen gibt. Dies ist wichtig, da man erwartet, dass der DM-Wirkungsquerschnitt mit der Massenzahl A2 skaliert. Darum wurde in dieser Arbeit der mögliche Einsatz von Natriumiodid (NaI) und Lithiumfluorid (LiF) als Absorberkristall untersucht. NaI ist deshalb interessant, weil die DAMA Kollaboration behauptet, ein von DM erzeugtes, modulierendes Signal in ihren NaI(Tl) Szintillationszählern zu beobachten, das der Bewegung der Erde relativ zu einem DM-Halo zugeschrieben wird. Diese Arbeit diskutiert, ob NaI-Kristalle in DM-Detektoren vom CRESST-Typ eingesetzt werden können und unter welchen Bedingungen solch ein Instrument das DAMA-Signal untersuchen könnte. Es wird gezeigt, dass eine kleine Detektormasse von ∼1 kg ausreicht, um die Behauptung zu überprüfen. Da NaI stark hygroskopisch ist, wurde das Material bisher noch nicht in Tieftemperaturdetektoren eingesetzt. In dieser Arbeit wurde eine Prozedur zur Handhabung entwickelt und getestet, die es ermöglicht, die Kristalle in einem Mischkryostaten zu betreiben. Es wurde gezeigt, dass das Abkühlen und das Kleben des Thermometers durchgeführt werden können, ohne das Material zu beschädigen. Der Betrieb eines Prototyps konnte jedoch aufgrund von Kontaktierungsschwierigkeiten noch nicht demonstriert werden. Letztere sind jedoch lösbar. Im Zuge dieser Untersuchung wurde die Temperaturabhängigkeit der Lichtausbeute (LA) von reinem NaI und NaI(Tl) bei α-Anregung gemessen, um zu überprüfen, ob bei tiefen Temperaturen genügend Licht vorhanden ist, um elektromagnetisch wechselwirkende Teilchen effizent zu diskriminieren. Für reinen NaI wurde bei 6K eine 1,2-fache LA im Vergleich zu CaWO4 gemessen, ebenso für NaI(Tl). Vergleiche mit vorhandenen Daten bei 78K legen nahe, dass sogar ein Faktor von bis zu 2,15 möglich ist. Die gemessene LA von reinem NaI oberhalb von 4K bestätigen die Ergebnisse der bislang einzigen verfügbaren Studie zu diesem Thema und wurde in dieser Arbeit erstmals unter 4K gemessen. Für NaI(Tl) wurde unterhalb von 60K ein erneuter Anstieg der LA entdeckt. Untersuchungen der Abklingzeiten der reinen und der dotierten Probe wurden durchgeführt und ergaben starke Hinweise darauf, dass das Verhalten der LA von NaI(Tl) bei tiefen Temperaturen von den “reinen” Gittereigenschaften dominiert ist und deshalb nicht länger mit den Tl+ Zentren assoziiert, sondern durch “self-trapped” Exziton-Emission verursacht ist. LiF wurde als mögliche Option den Neutronenfluss im CRESST-Aufbau zu überwachen, untersucht, da Neutronensignale ununterscheidbar von DM Signalen sind. Zusätzlich wurde die LA von LiF gemessen, um zu überprüfen, ob sich der Kristall auch zur DM-Detektion eignet. Bei 1,6K wurde für einen synthetisch hergestellten Kristall ein Wert von 450 ± 50 (ph/MeV) und 420 ± 50 (ph/MeV) für einen natürlich gewachsenen Kristall gleicher Größe bei 1,8K gemessen. Diese Werte stimmen sehr gut mit der einzig anderen verfügbaren Studie zu diesem Thema überein. Zwischen der natürlichen und der synthetischen Probe konnte kein Unterschied festgestellt werden. Eine leicht höhere Neutronennachweiswahrscheinlichkeit, verglichen mit CaWO4, konnte für LiF berechnet werden. Jedoch kann das Material aufgrund der geringen Lichtausbeute nicht zur DM-Detektion eingesetzt werden. Bei Untersuchungen der Abklingzeiten von LiF unter 60K wurde eine schnelle Abklingzeit mit τ = 5±0.8 ns entdeckt, die bisher noch nicht in der Literatur zu finden ist