Probing low-mass dark matter with CRESST-III : data analysis and first results

Abstract

Die Suche nach der Dunklen Materie ist eines der interessantesten Themen der modernen Physik. Obwohl die Existenz dieser Materieform durch astronomische Beobachtungen impliziert wird, gibt es bis heute keinen schlüssigen Nachweis durch eines der zahlreichen Experimente. Während das Forschungsgebiet stetig wächst, geraten leichte Teilchen, die das klassische WIMP-Szenario ersetzen, zunehmend in den Fokus. Diese Arbeit präsentiert eine Analyse von Daten aus der ersten Phase von CRESST-III, einem unterirdischen Experiment zum direkten Nachweis von Partikeln der Dunklen Materie, die mit instrumentierten CaWO4-Kristallen interagieren sollen. Unter Verwendung von Daten, die zwischen Mai 2016 und Februar 2018 gesammelt wurden, wird eine Obergrenze für den Wirkungsquerschnitt der spinunabhängigen sowie spinabhängigen elastischen Streuung von Partikeln der Dunklen Materie an den Kernen des Zielvolumens (O, Ca und W) bestimmt. Ergebnisse von vier Detektoren mit Schwellen für Rückstoßenergien nahe dem Entwurfsziel von 100 eV werden der erwarteten Sensitivität des CRESST-III-Experiments gegenübergestellt, und die stärkste Ausschlussgrenze wird mit Resultaten anderer direkter Suchexperimente verglichen. Ein Überblick über die beobachteten Untergrundprozesse wird gegeben, sowie ein Vergleich mit früheren CRESST-Messungen. In diesem Zusammenhang wird ein neuartiger Ansatz für die Energierekonstruktion untersucht, der die Signalsättigung im Übergangskantensensor berücksichtigt. Durch die Untersuchung von Kernrückstoßereignissen mit einer Minimalenergie von 30,2 eV wird gezeigt, dass CRESST in einzigartiger Weise zur Suche nach leichtenTeilchen geeignet ist, und zukünftige Phasen des Experiments eine noch höhere Empfindlichkeit erreichen können. Die Analyse verwendet einen Software-Triggeralgorithmus, der auf dem gesamten aufgezeichneten Datenstrom arbeitet, und das zuvor verwendete Hardware-Triggerschema ersetzt. Dieser Ansatz ermöglicht die Definition von Detektorschwellen basierend auf einem Güteparameter, insbesondere als Funktion einer beobachteten Anzahl von Rauschereignissen. Auf dem Datenstrom wird zudem eine Signalsimulation durchgeführt,mit der die Auswirkung jedes Analyseschnitts auf die Überlebenswahrscheinlichkeit von Signalereignissen studiert wird.

Dark matter is one of the most puzzling topics of physics today. While its existence seems logical and is implied by astronomical evidence, results from darkmatter detection experiments remain inconclusive. The field of dark matter physics is growing rapidly, and opening up towards lighter particles, which provide an alternative to the more and more disfavored standard WIMP scenario. This work presents an analysis of data from the first phase ofCRESST-III, an underground experiment aimed at direct detection of dark matter particles interacting in an instrumented CaWO4 target volume. Using data collected between May 2016 and February 2018, an upper limit on the cross-section for spin-independent as well asspin-dependent elastic scattering of dark matter particles off the target nuclei (O, Ca, andW) is extracted. A comparison of four detectors achieving nuclear recoil energy thresholds near the design goal of 100 eV with the projected performance of CRESST-III is given, and the strongest exclusion limit is checked against results from other direct search experiments.An overview of observed backgrounds is provided, and compared to earlier CRESST measurements; in this context, a novel approach for the energy reconstruction is explored, which accounts for signal saturation in the transition edge sensor. Via examination of nuclear recoil events with energies as low as 30.2 eV, it is shown that CRESST is uniquely suited to explore the low-mass dark matter particle regime, and future phases of the experiment should yield even more sensitivity. This work employs a software trigger on the complete recorded datastream,replacing the previously used hardware triggering scheme. It enables the definition of detector thresholds based on a figure of merit, namely as a function of allowed noise triggers.A signal simulation on the strea mis also performed, which is used to assess the effect of each analysis cut.