Dark Matter Search with ANTARES [Elektronische Ressource] = Suche nach Dunkler Materie mit ANTARES / Holger Motz. Betreuer: Gisela Anton

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• Astronomie

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• Publié par: friedrich-alexander-universitat_erlangen-nurnberg
• Publié le: 01 janvier 2011
• Nombre de lectures: 14
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 14 Mo

Extrait

DarkMatterSearchwithANTARES
SuchenachDunklerMateriemitANTARES
DerNaturwissenschaftlichenFakultat¨
derFriedrich-Alexander-Universitat¨ Erlangen-Nurnber¨ g
zur
ErlangungdesDoktorgrades Dr. rer. nat
vorgelegtvon
HolgerMartinMotz
ausPassauAlsDissertation genehmigtvonderNaturwissenschaftlichenFakultat¨
derFriedrich-Alexander-Universitat¨ Erlangen-Nurnber¨ g
Tagdermundlichen¨ Prufung:¨ 17.11.2011
VorsitzenderderPrufungskomission:¨ Prof. Dr. RainerFink
Erstberichterstatterin: Prof. Dr. GiselaAnton
Zweitberichterstatter: Prof. Dr. UlrichKatz
2Abstract
BuiltinthedeepseaoftheMediterraneannearToulon,France,theANTARES
neutrino telescope detects neutrinos which interact inside or close to the
detector andbringforth amuonwhichemitsCherenkovlight. Thedetec-
tor consists of a photomultiplier array mounted on flexible strings which
are anchored on the seabed. From the position and time of the incident
Cherenkovphotons,thedirectionofthemuontrackandtherebythatofits
precursor neutrinoarereconstructed.
Part of the project’s physics program is to search indirectly for Dark
Matter, by looking for neutrinos emitted in annihilation processes pre-
dicted by theories describing the yet unidentified Dark Matter particles.
This thesis covers several aspects of searching for neutrinos from the an-
nihilation of Dark Matter accumulating in the centres of the Earth and
the Sun. Introductory, the evidences for the existence of Dark Matter are
reviewed and the theoretical foundation of Dark Matter candidate parti-
cles are explained, before presenting the di!erent methods of direct and
indirect Dark Matter search and examining their prospects. Furthermore,
overviewoftheANTARESdetectorisgiven,withfocusondataacquisition
andalignment.
ThesensitivityofANTAREStotheneutrinosfromDarkMatterannihi-
lationintheSunpredictedbythetheoryofminimalSupergravity(mSugra)
isstudied, findingthatwith fiveyearsofdatapartsofthemSugraparam-
eterspacecouldbeexcluded.
The neutrino reconstruction procedures applied in analysing the neu-
trino fluxfromthedirectionoftheEarth’scentreareintroduced,highlight-
ingthedevelopmentofane"cienthitselectionprocedureandadedicated
low energy reconstruction algorithm. An improved Monte Carlo simu-
lation of the atmospheric neutrinos and muons, which includes in situ
measured optical background and photomultiplier gain distributions, is
usedtocalculatetheexpectedbackground fortheanalysis.
With these reconstruction and simulation methods an upper limit on
the rate of Dark Matter annihilation inside Earth from the data taken in
December2010isobtained,andthecorrespondingsensitivityofANTARES
for fiveyearsiscalculated.
3Zusammenfassung
Errichtet in der Tiefsee des Mittelmeers nahe Toulon, Frankreich, detek-
tiert das ANTARES Neutrinoteleskop Neutrinos, die in oder in der Nahe¨
des Detektors interagieren und ein Myon erzeugen, das Cherenkov Licht
aussendet. DerDetektorbestehtauseinerAnordnungvonPhotomultipli-
ern,diean flexiblen,amMeeresbodenverankerten, Leinenmontiert sind.
AusdemOrtundderAnkunftszeitderdetektiertenCherenkov-Photonen
werden dieRichtungder Myonenspur und damitdiedesursprunglichen¨
Neutrinosrekonstruiert.
Teil des Wissenschaftlichen Programms des Projektes ist es, indirekt
nach Dunkler Materie zu suchen, uber¨ Neutrinos, die in Annihilation-
sprozessen ausgesandt werden,welchedieTheorienvorhersagen, diedie
nochnichtidentifiziertenTeilchenderDunklenMateriebeschreiben. Diese
ArbeitdecktzahlreicheAspektederSuchenachNeutrinosausderAnnihi-
lation Dunkler Materie, welchesich imZentrum von Erdeund derSonne
anhauft¨ ab. Einfuhr¨ endwerdendieHinweiseaufdieExistenzDunklerMa-
teriebesprochen,unddieTheoretischenGrundlagenderTeilchen,dieKan-
didatenfur¨ dieDunkleMateriesind,erklart,¨ bevorverschiedeneMethoden
der direkten und indirekten Suche nachDunkler Materie vorgestellt, und
¨ihre Moglichkeiten¨ untersucht werden. Des Weiteren wird ein Uberblick
uber¨ den ANTARES Detektor gegeben, mit dem Schwerpunkt auf der
DatennahmeundderOrtskalibration.
Die Sensitivitat¨ von ANTARES auf Neutrinos aus der Annihilation
DunklerMaterieinderSonne,wiesievonderTheoriederminimalenSu-
pergravitation (mSugra) vorhergesagt werden, wird untersucht, mit dem
Ergebnis, dass in funf¨ Jahren Messzeit Teile des mSugra Parameterraums
ausgeschlossen werdenkonnten.¨
Die Prozeduren zur Rekonstruktion von Neutrinos, die fur¨ eine Anal-
yse des Neutrinoflusses aus Richtung des Erdkerns werden eingefuhrt,¨
wobei die Neuentwicklung einer e"zienten Tre!erselektion und eines
dedizierten Rekonstruktionsalgorithmus hervorgehoben werden. Eine
verbesserte Monte Carlo Simulation der atmopharischen¨ Neutrinos und
Myonen,dievorOrtgemessenenoptischenUntergrundundPhotomultiplier-
Verstarkungs-V¨ erteilungeneinschließt,wirdzurBerechnungdeserwarteten
Untergrunds derAnalyseverwendet.
Mit diesen Rekonstruktions- und Simulationsmethoden wird aus den
im Dezember 2010 genommenen Daten eine obere Grenze fur¨ die Anni-
hilationsrate Dunkler Materiein derErdegewonnen, unddiezugehorige¨
Sensitivitat¨ fur¨ funf¨ Jahreberechnet.
4Contents
1 Introduction 7
2 DarkMatter 10
2.1 EvidenceforDarkMatterfromCosmology . . . . . . . . . . 10
2.1.1 TheConcordanceModelof . . . . . . . . 10
2.1.2 SupernovaeTypeIa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.1.3 TheCosmicMicrowaveBackground . . . . . . . . . . 13
2.1.4 LargeScaleStructures . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.1.5 ColdDarkMatterParticles . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.1.6 DarkMatterFreeze-out . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2 EvidenceforDarkMatterfromAstrophysical Observations . 16
2.2.1 MassofGalaxyClusters . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.2 GalaxyRotationCurves . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.3 ModifiedNewtonianDynamics . . . . . . . . . . . . 17
2.2.4 MergingGalaxyClusters . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3 TheoreticalBackgroundofDarkMatter 20
3.1 Supersymmetry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.1.1 TheHiggsMassFineTuningProblem . . . . . . . . . 20
3.1.2 MSSM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.1.3 SoftSupersymmetry Breaking . . . . . . . . . . . . . 21
3.1.4 Unification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.1.5 TheNeutralino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.1.6 R-Parity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.1.7 mSugra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.2 ExtraDimensionTheories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.2.1 UniversalExtraDimensions . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.2.2 WarpedExtra . . . . . . . . . . . . . . . . 27
14 SearchforDarkMatter 29
4.1 DirectDetection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
4.1.1 WIMPnucleusinteraction . . . . . . . . . . . . . . . . 29
4.1.2 ExperimentalSetups . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
4.2 IndirectDetection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
4.2.1 AnnihilationProducts . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
4.2.2 SignalsofDarkMatterAnnihilationfromtheGalac-
ticCentre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.2.3 NeutrinosfromDarkMatterAnnihilationintheSun 32
4.2.4fromDarkintheEarth 33
5 ANTARES 36
5.1 OperatingPrinciple . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
5.2 DetectorEnvironment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
5.3Infrastructure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
5.3.1 TheANTARESLines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
5.3.2 TheANTStoreys . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
5.3.3 O!shoreDataAquisitionElectronics . . . . . . . . . . 39
5.4 DataProcessing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
5.4.1 TimeMeasurementandTimingcalibration . . . . . . 41
5.4.2 AmplitudeMeasurementandChargeCalibration . . 42
5.4.3 WalkE!ectCorrection . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
5.4.4 CalibrationDatasets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
5.4.5 Triggering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
5.4.6 OMCondition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
405.4.7 InSituCalibrationwith K . . . . . . . . . . . . . . . 46
5.5 DetectorAlignment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
5.5.1 AcousticPositioning System . . . . . . . . . . . . . . 47
5.5.2 Storey OrientationMeasurement . . . . . . . . . . . . 47
5.5.3 InSituCalibrationofCompassesandTiltmeters . . . 48
5.5.4 TheLineshapeFormula . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
5.5.5 FittingAlgorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
5.5.6 AlignmentPrecision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
6 SensitivityofANTAREStomSugra 55
6.1 E!ectiveAreaintheLowEnergyRegime . . . . . . . . . . . 55
6.2 SignalNeutrinoFlux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
6.2.1 RegionsofthemSugraParameterSpace . . . . . . . . 56
6.2.2 mSugraParameterSpaceScan . . . . . . . . . . . . . 57
6.2.3 CalculationoftheNeutrinoFlux . . . . . . . . . . . . 57
6.3 CalculationoftheSensitivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
26.3.1 SignalDetectionRate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
6.3.2 ANTARESSensitivity forFiveYears . . . . . . . . . .