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Dunkle Materie Gruppe: Bachelorarbeiten

für weitere Informationen wenden Sie sich auch direkt an klaus.eitel∂kit.edu

 

Bachelor-Arbeiten (Stand Juli 2018):

 

 

  • Berechnung von Kern-Rückstoß-Signalen durch WIMP-Streuung in kristallinen Detektoren
 

Manifestiert sich dunkle Materie (DM) in Form schwerer, schwach wechselrikender Teilchen, sogenannter WIMPs (weakly interacting massive particles), so erwartet man seltene Stoßprozesse von WIMPs an Atomkernen. Die gestoßenen Kerne erhalten dabei typischerweise Energien von wenigen keV. Im Falle kristalliner Detektoren (z.B. Germanium-Halbleiterkristalle) bewegen sich die Ge-Ionen wenige Nanometer. Dabei ionisieren sie ihre Umgebung und führen so zu einem messbaren Ionisationssignal.

In dieser Arbeit berechnen Sie aus der erwarteten Geschwindigkeitsverteilung galaktischer WIMPs zunächst die Impulsverteilung gestoßener Kerne und dann mittels einer bestehenden Spezial-Software die Spurlängenverteilung der Kerne in Kristallen, insbesondere in Germanium. Auf der Basis der Spurlängen-Verteilung und -Topologie als Funktion der WIMP-Masse können DM-Sensitivitäten verschiedener Detektortypen abgeleitet werden.

Ziel der Arbeit ist, ein besseres Verständnis für die mikroskopische Beschreibung der WIMP-Kern-Streuung in Festkörpern zu erhalten und daraus optimierte Strategien zur Suche nach DM zu erarbeiten. Die Analyse basiert sowohl auf existierenden Programmpaketen als auch auf neu zu erstellender Software, vorzugsweise in Python und/oder in ROOT/C++.

 

Vorkenntnisse im Bereich dieser Programmiersprachen sind von Vorteil. Außerdem wird die Bereitschaft zur intensiven Auseinandersetzung mit dem Thema erwartet und Freude, sich in ein modernes, spannendes und für Sie neues Wissenschaftsfeld einzuarbeiten.

 

  • Bestimmung von Phonon-Signalen mit Neganov-Luke-Verstärkung in Ge-Detektoren

 

 

Bei der Streuung Dunkler Materie (DM) in Ge-Detektoren werden Elektron-Loch-Paare erzeugt. Diese driften in einem von außen angelegten elektrischen Feld an die Oberflächen. Durch diesen Ladungstransport entsteht neben dem ursprünglichen Wärmeeintrag ein sekundäres Phonon-Signal, das proportional zum elektrischen Feld und der Zahl der e-/h+ Paare ist (Neganov-Luke-Verstärkung).

 

In dieser Arbeit bestimmen Sie die Neganov-Luke-Verstärkung als Funktion der Feldlinien für verschiedene Detektor-Konfigurationen. Eine leicht ortsabhängige Neganov-Luke-Verstärkung führt dabei zu einer asymmetrischen Verbreiterung der Energiesignale, die bei der Suche nach Dunkler Materie berücksichtigt werden muss.

 

Ziel der Arbeit ist, zu verstehen, wie ein Energieeintrag durch Dunkle Materie von wenigen eV, der zu einem Signal von wenigen e-/h+ Paaren führt, letztendlich als Phonon-Signal aussieht und ausgelesen werden kann. Die Analyse basiert sowohl auf existierenden Programmpaketen als auch auf neu zu erstellender Software, vorzugsweise in Python und/oder in ROOT/C++.

 

Vorkenntnisse im Bereich dieser Programmiersprachen sind von Vorteil. Außerdem wird die Bereitschaft zur intensiven Auseinandersetzung mit dem Thema erwartet.

 
  • Aufbau eines Ionisationskanals für einen Prototyp des DELight Experiments zur Suche nach leichter DM

Bei der direkten Suche nach Dunkler Materie mit Germaniumdetektoren beteiligt sich unsere Arbeitsgruppe an der Entwicklung neuer Technologien, die die Detektion von DM-Teilchen mit Massen im MeV-Bereich bei niedrigsten Energieüberträgen ermöglichen. Dazu werden erprobte Germanium-Detektoren mit neuartigen Kalorimetern zur Temperaturbestimmung (MMC) in einem Kryostaten bei T<20mK betrieben (DELight).

Ihre Aufgabe besteht darin, ein auf HEMTs (High Electron Mobility Transistor) basierendes Auslesesystem für den Ionisationskanal aufzubauen und bei Betriebstemperaturen von wenigen Kelvin mit einer Kalibrationsquelle auf Energieauflösung und Rauschverhalten hin zu testen. Die Ionisationssignale sind für Verständnis und Kalibrierung des DELight Experiments von großer Bedeutung, um den für die Phononsignale benötigten Neganov-Luke-Effekt korrekt zu quantifizieren.
Diese Arbeit erfordert die Bereitschaft, sich mit Themen der Signalverarbeitung (Verstärker, Rauschen, Filter, optimierte Oszilloskop-Auslese) sowie mit den Grundlagen der Datenanalyse (Python, ROOT) auseinanderzusetzen. Weiterhin besteht die Möglichkeit, am Betrieb des Experiments teilzunehmen.

 

 
  • Charakterisierung eines Prototyp-GeMMC zur Suche nach DM
Bei der direkten Suche nach Dunkler Materie mit Germaniumdetektoren beteiligt sich unsere Arbeitsgruppe an der Entwicklung neuer Technologien, die die Detektion von DM-Teilchen mit kleiner Masse bei niedrigsten Energieüberträgen ermöglichen. Dazu werden erprobte Germanium-Detektoren mit neuartigen Kalorimetern zur Temperaturbestimmung (MMC) in einem Kryostaten bei T<20mK betrieben. Ein in der Entwicklung befindliches neues Datenauslesesystem wird angepasst, um Ereignisse bei niedrigster Energie über das entsprechende Phononensignal zu messen.
 

Ihre Aufgabe besteht darin, Messdaten, die mit dem oben beschriebenen System in einer ersten Testphase aufgenommen wurden, auszuwerten. Dazu entwickeln Sie Algorithmen zur Analyse von Datenspuren weiter, um Signalpulse zu analysieren, die Messdaten zu kalibrieren und die Energieauflösung des Detektorsystems zu bestimmen.

 
Kenntnisse in Python, ROOT/C++ und Datenanalyse sind hilfreich und können im Rahmen dieser Arbeit weiterentwickelt werden.

 

  • Aufbau und Test einer Einzel-Photon-Quelle für das DELight Experiment

DELight (Direct search Experiment for Light Dark Matter) sucht mit einem auf wenige mK gekühlten Germanium-Kristall nach Signalen leichter Dunkler Materie (DM). Diese Signale aus einzelnen oder wenigen Elektronen entstehen bei der elastischen Streuung von DM an Elektronen des Ge-Valenzbandes. Diese Elektronen driften dann in einem von außen angelegten elektrischen Feld an die Kristalloberfläche, wodurch Phononen erzeugt werden (Neganov-Luke-Effekt), die durch MMC-Sensoren (metallic magnetic calorimeters) mit exzellenter Energieauflösung ausgelesen werden.

In dieser Arbeit entwickeln sie eine Apparatur, mit der extrem kleine Lichtpulse auf einen Germanium-Kristall abgestrahlt werden können. Mit dieser Quelle soll die Detektorantwort auf Signale einzelner oder weniger Elektronen getestet werden. Der Messaufbau basiert auf einer LED, deren Licht per Glasfaser an den Kristall im Kryostaten geleitet wird. Die LED-Pulse von einigen Nanosekunden Länge werden mit einer speziellen Elektronikkarte gesteuert. Sie führen die einzelnen Hardware-Komponenten zusammen, führen Testmessungen zur Bestimmung der Lichtintensität durch und entwickeln den Aufbau, wie er dann im Kryostaten implementiert wird.

 

Sie haben Interesse an Hardware-Arbeiten und der Durchführung von Messungen mit moderner Datenaufnahme-Elektronik und Grundkenntnisse in Programmierung? Dann melden Sie sich!