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Simulations of the muon-induced neutron background of the EDELWEISS-II experiment for dark matter search [Elektronische Ressource] / Oliver Markus Horn

145 pages
Forschungszentrum Karlsruhe in der Helmholtz-Gemeinschaft Wissenschaftliche Berichte FZKA 7391 Simulations of the Muon-Induced Neutron Background of the EDELWEISS-II Experiment for Dark Matter Search O. M. Horn Institut für Kernphysik Juni 2008 Forschungszentrum Karlsruhe in der Helmholtz-Gemeinschaft Wissenschaftliche Berichte FZKA 7391 Simulations of the muon-induced neutron background of the EDELWEISS-II experiment for Dark Matter search Oliver Markus Horn Institut für Kernphysik von der Fakultät für Physik der Universität Karlsruhe (TH) genehmigte Dissertation Forschungszentrum Karlsruhe GmbH, Karlsruhe 2008 Für diesen Bericht behalten wir uns alle Rechte vor Forschungszentrum Karlsruhe GmbH Postfach 3640, 76021 Karlsruhe Mitglied der Hermann von Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren (HGF) ISSN 0947-8620 urn:nbn:de:0005-073912 Simulations of themuon-induced neutron backgroundof the EDELWEISS-II experimentfor Dark Matter searchZur Erlangung des akademischen Grades einesDOKTORS DER NATURWISSENSCHAFTENvon der Fakultat fur Physik derUniversitat Karlsruhe (TH)genehmigteDISSERTATIONvonDipl. Phys. Oliver Markus Hornaus HeidelbergTag der mun dlichen Pruf ung: 21.12.2007Referent: Prof. Dr. J.
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Forschungszentrum Karlsruhe
in der Helmholtz-Gemeinschaft
Wissenschaftliche Berichte
FZKA 7391









Simulations of the
Muon-Induced Neutron
Background of the
EDELWEISS-II Experiment
for Dark Matter Search


O. M. Horn
Institut für Kernphysik


















Juni 2008 Forschungszentrum Karlsruhe
in der Helmholtz-Gemeinschaft
Wissenschaftliche Berichte
FZKA 7391

Simulations of the
muon-induced neutron background
of the EDELWEISS-II experiment
for Dark Matter search
Oliver Markus Horn
Institut für Kernphysik

von der Fakultät für Physik
der Universität Karlsruhe (TH) genehmigte Dissertation






Forschungszentrum Karlsruhe GmbH, Karlsruhe
2008





















































Für diesen Bericht behalten wir uns alle Rechte vor
Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Postfach 3640, 76021 Karlsruhe
Mitglied der Hermann von Helmholtz-Gemeinschaft
Deutscher Forschungszentren (HGF)
ISSN 0947-8620
urn:nbn:de:0005-073912 Simulations of the
muon-induced neutron background
of the EDELWEISS-II experiment
for Dark Matter search
Zur Erlangung des akademischen Grades eines
DOKTORS DER NATURWISSENSCHAFTEN
von der Fakultat fur Physik der
Universitat Karlsruhe (TH)
genehmigte
DISSERTATION
von
Dipl. Phys. Oliver Markus Horn
aus Heidelberg
Tag der mun dlichen Pruf ung: 21.12.2007
Referent: Prof. Dr. J. Blum er
Institut fur Experimentelle Kernphysik, Universitat Karlsruhe (TH)
Korreferent: Prof. Dr. J. Jochum
Physikalisches Institut, Eberhard-Karls Universitat Tub ingenZusammenfassung
Ein Schwerpunkt in der Astroteilchenphysik ist die Frage nach der Natur der Dun-
klen Materie. Die wohl vielversprechendste Hypothese geht davon aus, dass es sich
hierbei um bisher unentdeckte Elementarteilchen handelt, den sogenannten WIMPs.
Das EDELWEISS Experiment versucht, diese direkt uber Kernrucksto e an Germa-
niumkernen in kryogenen Bolometern nachzuweisen. Um eine Diskriminierung der
sehr seltenen Kernrucksto e von h augen Elektronenrucksto en auf der Basis einzel-
ner Ereignisse zu erzielen, wird ein Energieeintrag in jeweils zwei Signalen ausgelesen,
als Temperaturanstieg und als Ionisation des Halbleiters. Bei dieser experimentellen
Technik verbleiben Neutronen als Hauptuntergrundquelle.
Auer durch (,n) Reaktionen der naturlichen Radioaktivitat werden Neutronen
auch in Teilchenschauern kosmischer Myonen im Gestein oder in der Abschirmung
des Experiments erzeugt. Um auf die sehr niedrigen zu erwartenden Ereignisraten
bei der Suche nach Dunkler Materie sensitiv zu sein, mussen Experimente wie das
EDELWEISS-II Experiment diesen Neutronenuntergrund e zient unterdr ucken.
Die vorliegende Arbeit ist daher der Untersuchung des Myon-induzierten Neutronen-
usses im Untergrundlabor LSM und der damit zusammenhangenden Ereignisrate
in den Germaniumkristallen gewidmet. Hierfur wurden Monte Carlo Simulationen
mit Hilfe des Programmpakets Geant4 entwickelt. Um verlassliche Resultate zu
erhalten, wurde zunachst die im Programmpaket implementierte Physik in Bezug
auf die Neutronenproduktionsmechanismen untersucht. Die Ergebnisse innerhalb
eines vereinheitlichten Versuchsaufbaus konnten anschlie end mit experimentellen
Messdaten sowie mit den Ergebnissen anderer Simulationspakete verglichen werden.
Die spezielle Energie- und Winkelverteilung des Myonenusses im Untergrundlabor
LSM als Folge der ungleichen Gesteinsuberdeckung wurde implementiert. In einem
Vergleich mit ersten Daten des EDELWEISS-II Myonendetektors konnte eine gute
Ubereinstimmung des simulierten Myonenusses mit gemessenen Raten gefunden
werden. Daruber hinaus wurde der von kosmischen Myonen erzeugte Untergrund
an Kernrucksto ereignissen in Germanium-Kristallen simuliert. Diese Ereignisse
in Koinzidenz mit einem Energieeintrag in den Plastikszintillatormodulen des
Myonendetektors bestimmen die Vetoefzienz. Die verbleibende Untergrundrate
1 15konnte auf naherungsweise . 10 kg d reduziert werden. Damit istbg
+0:06die zu erwartende Vetoe zienz besser als (99 :94 0:01 )%. Dies entspricht0:1
3einem Unterdruckungsfaktor von R O(10 ). Das Ergebnis der Simulationen
zeigt, dass der Myon-induzierte Untergrund etwa zwei Gro enordnungen besser als
bisher erwartet reduziert werden kann. Dies bedeutet, dass die Sensitivitat des
EDELWEISS-II Experiments auf einen WIMP-Nukleonen-Wirkungsquerschnitt
10von bis zu 10 pb prinzipiell nicht durch Myon-induzierten Untergrund limitiert
wird.
iii