Investigation of ZnWO_1tn4 and CaMoO_1tn4 as target materials for the CRESST-II dark matter search [Elektronische Ressource] / Irina Bavykina

Bavykina, Irina

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• Publié par: ludwig-maximilians-universitat_munchen
• Publié le: 01 janvier 2009
• Nombre de lectures: 27
• Langue: Deutsch
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Extrait

Ludwig–Maximilians–Universitat¨ Munchen¨
Fakultat¨ fur¨ Physik
Dissertation
Investigation of ZnWO and CaMoO as4 4
Target Materials for the CRESST–II Dark
Matter Search
Irina Bavykina
aus Russland
Munchen¨
September 2009Erstgutachter : Prof. Dr. O. Biebel
Zweitgutachter : PD. Dr. P. Thirolf
Tag der mundlichen¨ Prufung:¨ 08.12.2009Zusammenfassung
Diese Arbeit beschaftigt¨ sich mit der Untersuchung von szintillierenden Kalzi-
ummolybdat (CaMoO ) und Zinkwolframat (ZnWO ) Kristallen und deren Ent-4 4
wicklung als Phonondetektoren fur¨ die direkte Suche nach Dunkler Materie
mit CRESST-II (Cryogenic Rare Event Search with Superconducting Thermome-
ters). CRESST-II sucht nach elastischen Streuprozessen von WIMPs (Weakly
Interacting Massive Particles) an den Kernen der Kristalldetektoren (Kapitel 1).
Man erwartet eine WIMP-Streurate von weniger als 0.1 pro Kilogramm De-
tektormaterial und Tag, wahr¨ end die Hintergrundraten selbst in einem stark
abgeschirmten Aufbau um vieles großer¨ sind. Die Reduzierung jenes Hinter-
grundes, der ein potentielles WIMP Signal uber¨ deckt oder imitiert, ist daher von
zentraler Wichtigkeit (Kapitel 2).
Die CRESST–II Detektoren konnen aktiv zwischen Kernruckstoßen (verur-¨ ¨ ¨
sacht durch Neutronen und erwartet durch WIMPs) und -, - und -
Radioaktivitat¨ unterscheiden. Dies wird durch simultane Messung von
Phononen sowie von Szintillationslicht, entstehend durch die Wechselwirkung
eines Teilchens mit dem Kristall, erreicht (Kapitel 2 und 3). Die Schwierigkeit
einer solchen Messung liegt in der geringen Menge an freigegebenem Szintil-
lationslicht (Kapitel 4). In einem Kalziumwolframat (CaWO ) Kristall (Stan-4
dardmaterial fur¨ CRESST-II) werden typischerweise nur ca. 1% der gesamten
deponierten Energie in Form von/-Strahlung detektiert. Um eine bessere De-
tektionsschwelle bei niedrigen Ruckstoßener¨ gien (unter 40 keV) zu erreichen,
muss die Menge an emittiertem Szintillationslicht moglichst¨ groß sein.
In dieser Arbeit werden die Szintillationseigenschaften von CaMoO und4
ZnWO Kristallen bei Zimmertemperatur (Kapitel 5) sowie bei kryogenischen4
Temperaturen (Kapitel 6) untersucht und mit denen von CaWO Kristallen ver-4
glichen. Im Besonderen werden erstmals die Lichtemissionsfahigkeit¨ und die
Szintillationszeitskalen von CaMoO und ZnWO im milli-Kelvin (mK) Bereich4 4
gemessen.
Des weiteren wurde im Zuge dieser Arbeit ein 10 g ZnWO Phonondetektor4
zu einem 400 g Prototypen skaliert und 200 g CaMoO Phonondetektoren (Kapi-4
tel 7). Fur¨ den ZnWO Phonondetektor wird ein neues Design mit separatem4
Thermometer-Trager¨ untersucht. Diese Detektoren wurden auch im CRESST–
II Versuchsaufbau im Gran Sasso-Untergrundlaboratorium erstmals in Betrieb
genommen (Kapitel 8). Zusatzlich¨ zu einer allgemeinen Studie uber¨ das neuar-
tige Detektordesign ermoglichen¨ die gemessenen Daten eine detaillierte Unter-
suchung der radioaktiven Kontamination der Kristalle. Aufgrund der guten
Eigenschaften des ZnWO Prototypen wird eine zusatzliche¨ Detektoreinheit aus4
diesem Material im CRESST–II Aufbau zum Einsatz kommen (Kapitel 9).Abstract
This work reports on the investigation of calcium molybdate (CaMoO ) and4
zinc tungstate (ZnWO ) scintillating crystals and the development of prototype4
phonon detectors based on these new target materials for CRESST–II (Cryogenic
Rare Event Search with Superconducting Thermometers). The CRESST–II direct
dark matter search experiment seeks the detection of WIMPs (Weakly Interacting
Massive Particles) via their elastic scattering o nuclei (Chapter 1). The WIMP
event rate is expected to be less than 0.1 event per kg of the target and per day
while the background rate is orders of magnitude higher, even after placing
the detector in a well–shielded facility. Therefore, suppression of background
that would hide or mimic a potential WIMP signal is of the central importance
(Chapter 2).
CRESST–II detectors can actively discriminate nuclear recoils (caused by neu-
trons and expected from WIMPs) from radioactive-, -, and–backgrounds
while simultaneously measuring phonon and light signals caused by a particle
interaction in the scintillating crystal (Chapter 2 and 3). The challenge of such a
measuring technique is the small amount of scintillation light generated (Chap-
ter 4). Typically, only 1% of the total energy deposited into calcium tungstate
(CaWO ) crystals (standard target for CRESST–II) by/ particles is detected. In4
order to achieve a better discrimination threshold down to lower recoil energies
(below 40 keV), the amount of emitted scintillation light has to be maximized.
In this work scintillation properties of CaMoO and ZnWO crystals have been4 4
investigated at room temperature (Chapter 5) and at cryogenic temperatures
(Chapter 6) and compared with those ones of CaWO . In particular, the light4
output and scintillation decay time constants of CaMoO and ZnWO crystals at4 4
mK temperatures have been measured for the first time.
Furthermore, a 10 g ZnWO phonon detector was scaled up to a full 400 g4
prototype and 200 g CaMoO detectors were developed (Chapter 7).4
The ZnWO detector has been integrated into the CRESST–II setup at Gran Sasso4
where it has been operated in a well–shielded facility for the first time (Chapter 8).
Besides allowing for performance studies of the new detector design, data taken
with this detector made a detailed investigation of radioactive contaminations
of the ZnWO crystal possible. Due to the excellent characteristics obtained with4
the prototype ZnWO phonon detector this material will be used as an additional4
target unit for the CRESST–II experiment (Chapter 9).