Enhancing the electromagnetic background model in the CRESST experiment by considering surface-induced contamination using measured surface roughness

Abstract

Seit Jahrzehnten ist das CRESST (Cryogenic Rare Event Search with Superconducting Thermometers) Experiment eines der führenden Experimente auf der Suche nach Dunkler Materie. Durch die Verwendung von cryogene (∼ 15 mK) Detektoren, ist es bestens gerüstet für die suche nach Weakly Interacting Massive Particles mit Massen im sub-GeV Bereich (≲ 1 GeV).Um den gemessenen Hintergrund zu analysieren, wurde ein simulation-basiertes Hintergrundmodell entwickelt. Bereits unter der Annahme einer homogenen Kristallverunreinigung kann das Modell ∼ 76.1 % des Hintergrunds erklären. Eine erste Studie zeigt jedoch, dass Effekte durch Oberflächen-Rauigkeit und Verunreinigung einige der Differenzen zwischen der Simulation und den Messdaten erklären können.In dieser Arbeit behandle ich das bekannte Problem von Oberflächenrauhigkeitssimulationen und deren Verunreinigung, welchem viele Experimente auf der Suche nach „Rare Events“ gegenüber stehen. Dafür entwickelte ich ein neues Framework welches die Oberflächenrauhigkeit eines Kristalles nachbilden und dessen Effekte auf das Energieeintragsspektrum simulieren kann. Die Arbeit beinhaltet zwei wesentliche Punkte: a) Entwicklung eines Modells um Oberflächen- rauhigkeit in der Grössenordnung von Mikrometern zu simulieren; b) Optimierung der Geant4 basierenden Modelle um akurate Simulationen in der rauen Oberfläche durchzuführen. Mit diesem Framework untersuche ich die Beiträge verschiedener Verunreinigungen, wie beispielsweise 210Po und 238U, zum gemessenen Hintergrundspektrum von CRESST. Diese Arbeit fühte in Folge zu einem verbesserten elektromagnetischen Hintergrundmodell für das CRESST Experiment.

For decades, CRESST (Cryogenic Rare Event Search with Superconducting Thermometers) experiment is one of the leading experiments searching for Dark Matter. With cryogenic (∼ 15 mK) detectors using different crystals as a target material, it is well suited to search for Weakly Interacting Massive Particles with masses in the sub-GeV range (≲ 1 GeV).A simulation-based background model was developed to understand the components of measured background. The latest version of which by only considering bulk contamination already explains ∼ 76.1 % of the observed background. However, a first study investigating the effects of surface roughness and surface contamination of CRESST’s crystals shows that these two properties can explain differences between measured and simulated data.In this thesis, I am working on well-known and very challenging problem of simulating surface roughness and its contamination, which many rare event search experiments suffer from. I have developed a novel framework which can be used to replicate a crystal surface-roughness profile and simulate its effects on the energy deposition spectra in the crystal. This work consisted of two major parts: a) developing a model allowing a user to define different kinds of surface structures in the order of microns, and b) optimizing existing Geant4 models to accurately simulate interactions on and in the rough surface. Using this framework, I investigated the contributions of most probable contaminants, such as 210Po and 238U, to the measured spectrum by CRESST. This work carried out in the thesis led to an improved electromagnetic background model for the CRESST experiment.