Authors:	Bauermeister, Boris
Title:	Studies of calibration and electron recoil background modelling for the XENON100 dark matter experiment
Online publication date:	4-Jan-2017
Year of first publication:	2017
Language:	english
Abstract:	According to cosmological studies, there are hints for the existence of Dark Matter. Latest results from the Planck satellite mission suggest that our universe consist of 4.9% baryonic matter, 26.8% Dark Matter and68.3% Dark Energy. Many theories, such as a super symmetric extension (SUSY) of the standard model, provide a natural candidate for particle Dark Matter which has the following properties: It is charge-less and has a mass but its interaction probability with baryonic matter is small. This particle is summarised as WIMP, a weakly interacting massive particle. In order to detect the WIMP, the XENON collaboration started in 2007 to build an experiment which is designed for direct Dark Matter detection. The experimental setup is located at Laboratori Nazionali del Gran Sasso (Italy). The detector is a two-phase Time Projection Chamber (TPC) filled with 161 kg of liquid xenon that aims at observing Dark Matter by looking at nuclear recoils produces by WIMPs scattering off xenon nucleons. The XENON collaboration archive the best limit in 2012 on the spin-independent WIMP-nucleon cross-section with a minimum of σχ = 2 × 10−45 cm2 at a WIMP mass of mχ = 55 GeV/c2 (90% C.L.). In 2013, using the same Dark Matter data, the XENON collaboration published a more stringent limit for the spin- dependent cross-section minimum of σχ = 3.5 × 10−40 cm2 at a WIMP mass of m χ = 45 GeV/c2 (90% C.L.) for neutrons. Further Dark Matter candidates, such as axions or axion-like particles, are tested with electronic recoil data obtained during the same Dark Matter data taking period. This lead in 2014 to the best upper limit for axion-electron couplings in the 5 − 10 keV/c2 mass range, assuming that axion-like particles constitute all of the galactic Dark Matter. Thanks to the underground laboratory and a careful material selection, the XENON100 experiment archived an ultra-low electro-magnetic background of 5.3 × 10 −3 events/kg/day in the region of interest. In order to identify a WIMP event properly, it is important to understand the background. Therefore a set of calibration sources is used: 241AmBe (Americium-Beryllium) as a neutron source and 60 Co (Cobalt) and 232 Th (Thorium) as a gamma source (electronic recoil). The neutron source is used to understand how a WIMP signal would look like in the detector and the gamma sources are used to understand the electronic recoil signal, similar to the background one. Weekly photo multiplier-tube calibrations are used, in addition, to determine the gain values and assure a stable read-out condition. This work is dedicated to a subset of three data analysis topics. An alternative photo-multiplier tube calibration is developed from raw LED data. This method is able to support the actual calibration technique by searching for single photo-electron pulses with the same peak-finder algorithm which is used for Dark Matter data reprocessing. This allows to determine the single photo-electron response directly. An already used method is improved: The signal acceptance for the ionisation energy threshold is developed for the data taking periods 2011/12 and 2013/14. It is also tested with simulated neutrons and further uncertainties on the signal acceptance are discussed. Furthermore there is an alternative phenomenological electronic recoil background model developed from 60 Co and 232 Th data. This model is compared to the already published model in 2012 and the impact on the WIMP exclusion limit is evaluated. Kosmologische Beobachtungen bestätigen die Existenz von Dunkler Materie. Die neuesten Ergebnisse der Planck Satelliten-Mission zeigen, dass unser Universum aus 4.9% baryonischer Materie, 26.8% Dunkler Materie und 68.3% Dunkler Energie besteht. Theorien, wie zum Beispiel die super-symmetrische Erweiterung des Standard Modells der Kern- und Teilchenphysik, beinhalten ein geeignetes Teilchen. Es besitzt Masse, keine Ladung und zeigt eine schwache Wechselwirkung mit baryonischer Materie. Die XENON Kollaboration hat im Jahr 2007 mit der Suche nach Dunkler Materie begonnen. Hierfür wird im Untergrundlabor des “Laboratori Nazionali del Gran Sasso” (Italien) eine Zwei-Phasen Zeit-Projektions-Kammer (TPC), mit 161 kg flüssigem Xenon als Detektor verwendet. Das Ziel besteht im Nachweis eines neuen Elementarteilchens: Das WIMP (Weakly Interacting Massive Particle). Die XENON Kollaboration veröffentlichte im Jahre 2012 eine Ausschlussgrenze mit dem minimalen Wechselwirkungsquerschnitt von σχ = 2 × 10−45 cm2 bei einer WIMP-Masse von mχ = 55 GeV/c2 (90% C.L.) für spin-unababhängige WIMP- Nukleon Wechselwirkungen. Im Jahr 2013 folgte mit dem gleichem Datensatz ein minimales Ausschlusslimit von σχ = 3.5 × 10−40 cm2 bei eine WIMP-Masse von m χ = 45 GeV/c2 (90% C.L.) für spin-abhängige WIMP-Nukleon Wechselwirkungen an Neutronen. Darüber hinaus wurden alternative Dunkle Materie Kandidaten, wie z.B. Axionen oder Axion-ähnliche Teilchen, an Elektronrückstößen von Xenonatomen untersucht. Dies führte im Jahr 2014 zu einem Ausschlusslimit für Axion-Elektron Wechselwirkungen im Bereich von m A = 5 − 10 keV/c2 unter der Annahme, dass die gesamte Dunkle Materie aus Axion-ähnlichen Teilchen besteht. Dank des Untergrundlabors und einer geeigneten Materialauswahl erreicht das XENON100 Experiment einen niedrigen elektro-maganetischen Untegrund von 5.3 × 10 −3 Ereignissen/kg/Tag. Ein detailliertes Verständnis des Untergrunds ist notwendig um nach seltenen WIMP-Ereignissen zu suchen. Hierfür stehen verschiedene Kalibrationsquellen zur Verfügung: 241 AmBe (Americium-Beryllium) als Neutronenquelle und 60 Co (Cobalt) und 232 Th (Thorium) als Gammaquelle. Die Neutronenquelle wird dazu verwendet, WIMP Wechselwirkungen im Detektor zu verstehen. Die Gammaquelle wird zur Beschreibung von Elektronrückstößen verwendet, die sich ähnlich dem elektro-maganetischen Untergrund verhalten. Wöchentliche Kalibrationen der Photoelektronenvervielfacher geben Auskunft über ihren Funktionsstatus und deren zu erwartende Signale. Die hier vorliegende Doktorarbeit fokusiert auf drei Analysethemen. Es wird eine alternative Methode vorgestellt um einzelne Photo-Elektron Signale in den LED Rohdaten zu identifizieren. Diese Methode kann ebenfalls dazu verwendet werden den Status der PMTs zwischen zwei PMT Kalibration zu überprüfen. Eine bereits vorhandene Methode zur Signalakzeptanzbestimmung der unteren Energieschranke für Ionisationssignale wird verbessert, einschließlich einer vollständigen Disukussion der eingehenden Unsicherheiten. Desweiteren wird ein alternatives Modell zur Bestiummung des zu erwartenden γ induzierten Untergrunds mit 232 Th und 60 Co Daten entwickelt. Dieses Modell wird im Weiteren mit dem bereits veröffentlichtem Modell aus dem Jahr 2012 verglichen und sein Einfluss auf die WIMP Ausschlusskurve bestimmt.
DDC:	530 Physik 530 Physics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-2777
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000009250
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	330 Seiten
Appears in collections:	JGU-Publikationen