LowRAD (ERC Advanced Grant project 101055063)

Low radon and low internal radioactivity for dark matter and rare event xenon detector

PI: Christian Weinheimer

Motivation:
Die astrophysikalischen und kosmologischen Beweise sind überwältigend, dass der Großteil der Materie im Universum aus exotischer dunkler Materie bestehen muss.
Aber es ist noch nicht klar, was dunkle Materie wirklich ist. Vielversprechende Kandidaten sind WIMPs, deren Nachweis auch andere drängende Fragen der Teilchenphysik lösen würde. Für die Suche nach WIMPs sind Detektoren auf der Basis von flüssigem Xenon bei weitem am empfindlichsten. Die Kollaborationen der aktuellen Dunkle-Materie-Experimente LZ und XENON sowie des geplanten DARWIN-Experiments beabsichtigen, ihre Kräfte zu bündeln, um den Detektor der nächsten Generation XLZD zu bauen, dessen Empfindlichkeit nur durch die kohärente elastische Neutrino-Nukleus-Streuung (CEνNS) begrenzt ist. Ein solcher Detektor wird nicht nur nach dunkler Materie suchen, sondern auch ein Observatorium für die Suche nach seltenen Ereignissen werden (Axionen, solare Neutrinos, neutrinoloser doppelter Betazerfall, ...).

Herausforderungen:
Trotz des Aufbaus in unterirdischen Labortorien und zusätzlicher Abschirmung oder Vetosystemen für Myonen oder Neutronen ist die Empfindlichkeit dieser Detektoren durch radioaktive Zerfälle im Xenon begrenzt, insbesondere durch die radioaktiven Edelgasisotope ²²²Rn und ⁸⁵Kr, die den Untergrund der derzeitigen Xenon-basierten Experimente zur Suche nach dunkler Materie dominieren. In diesem Projekt wollen wir die Möglichkeiten der kryogenen Online-Destillation (Abbildung 1) ausschöpfen, um ²²²Rn und ⁸⁵Kr kontinuierlich auf ein beispielloses Niveau von 1 Atom pro 100 Mol (10 Mol im Falle von ⁸⁵Kr) Xenon (Abbildung 2) zu reduzieren, wodurch ihre Untergrundbeiträge bei DARWIN/XLZD um einen Faktor 10 kleiner sein werden als die der unabschirmbaren solaren Neutrinos.

Aufgaben:

• Entwicklung einer Rn-Entfernungstechnologie mit radonfreien Komponenten für einen sehr hohen Durchsatz von der Größenordnung 1t/h
  → effiziente Nutzung der Kühlenergie: kryogene Wärmepumpe
• Vorbereitung auf die kontinuierliche/oftmalige Online-Entfernung von Kr (und Ar):
  → Entwicklung einer quasi verlustfreien Methode (viel weniger Offgas)
• Ausnutzung der Tatsache, dass die kryogene Destillation an einem Ausgang die Konzentration der Verunreinigung reduziert, am anderen Ausgang aber stark erhöht
  → Integration einer sehr empfindlichen Diagnostik
• Kryogene Destillation und Reinigung von elektronegativen Verunreinigungen
  → Integration in ein einziges System, einschließlich Kalibrierung mit radioaktiven Edelgasen und Diagnostik
• F&E für neue Technologien
• Untersuchung von Physikkanälen, die von extrem niedrigen ²²²Rn- und ⁸⁵Kr-Untergründen profitieren