Simulationsbasierter Untergrundvergleich für zukünftige Detektormodule des CRESST Experiments

Abstract

Das CRESST-Experiment ist eines der prominentesten Experimente zur Suche nach dunkler Materie und steht für Cryogenic Rare Event Search with Superconducting Thermometers. Trotz aller Maßnahmen zur Abschirmung des Experiments von Umgebungsstrahlung ist in allen Detektormodulen ein Resthintergrund zu beobachten, der die Identifizierung der seltenen Dunkle-Materie-Ereignisse einschränkt. Ziel dieser Arbeit war es daher, den Einfluss der Detektorgeometrie auf den Hintergrund zu untersuchen, um durch gezieltes Design zukünftiger Detektoren den Resthintergrund weiter reduzieren zu können. Dazu wurden zwei bisher noch nicht betriebene Detektormodule (DoubleTESDetector, CmCubeDetector), die ein neues Designkonzept für die zukünftige Durchführung des CRESST-Experiments aufweisen, mit einem aktuell verwendeten Detektormodul (DetectorA) hinsichtlich ihres potenziellen Hintergrunds verglichen.Um dieses Ziel zu erreichen, wurde das von der CRESST-Kollaboration entwickelte SimulationsToolkit ImpCRESST um eine CAD-Schnittstelle auf Basis von CADMesh erweitert, die es erlaubt, CAD-Dateien direkt in ImpCRESST zu importieren. Mit dieser neuen Schnittstelle konnte der Workflow mit dem Toolkit deutlich beschleunigt und eine umfassende Hintergrundsimulation der genannten Detektormodule durchgeführt werden.Die durchgeführte Simulation führte zu folgenden Schlussfolgerungen: Die neuen Module DoubleTESDetector und CmCubeDetector zeigen einen etwas höheren Hintergrund als DetectorA, was höchstwahrscheinlich auf ihr dünneres Detektorgehäuse zurückzuführen ist, was zu einer schlechteren Abschirmung von Umgebungsstrahlung führt. Weiterhin wurde festgestellt, dass die für die Lichtdetektoren der Module verwendeten silicon-on-sapphire Wafer trotz ihrer geringen Masse den zweitgrößten Beitrag zum Hintergrund leisten. Daher sollten die Aktivitäten dieser Saphirkristalle, die als Eingangsparameter in der Simulation verwendet wurden, experimentell bestimmt werden, um den Beitrag der Lichtdetektoren zum Gesamthintergrund besser einschränken zu können. Weiters wurde festgestellt, dass die W − Kα1 Röntgenemissionslinie im Spektrum der Detektormodule auftritt, wenn mehrereCalciumwolframat Zielkristalle in demselben Detektormodul platziert werden.

The CRESST experiment is one of the most prominent experiments looking for dark matter particles and stands for Cryogenic Rare Event Search with Superconducting Thermometers. Despite all measures taken to shield the experiment from ambient radiation, a residual background can be observed in all detector modules, which limits the identification of the rare dark matter events. Therefore, the aim of this work was to investigate the influence of the detector geometry on the background to allow further reduction of the residual background through the targeted design of future detectors. For this purpose, two detector modules (DoubleTESDetector, CmCubeDetector) with a new design concept for the future run of the CRESST experiment, which have not been operated before, were compared with a currently used detector module design (DetectorA) regarding their potential background.In order to achieve this goal, the simulation toolkit ImpCRESST, developed by the CRESST collaboration, was extended by a CAD interface based on CADMesh, which allows to import CAD files directly into ImpCRESST. With this new interface, the workflow with the toolkit could be significantly accelerated and a comprehensive background simulation of the mentioned detector modules could be performed. The conducted simulation resulted in the following conclusions: The new modules DoubleTESDetector and CmCubeDetector show a slightly higher background than DetectorA, which is most likely caused by their thinner detector housing, resulting in poorer shielding from ambient radiation. Furthermore, it was found that the silicon-on-sapphire wafers used for the light detectors of the modules make the second largest contribution to the background, despite their low mass. Therefore, the activities of these sapphire crystals, which were used as input parameters in the simulation, should be measured to better constrain the contribution of the light detectors to the overall background. Furthermore, it was found that the W − Kα1 X-ray emission line appears in the spectrum of the detector modules when several calcium tungstate target crystals are placed in the same detector module.