Increasing the sensitivity to low mass dark matter in CRESST-III with a new DAQ and signal processing

Das vorherrschende LambdaCDM-Modell der Kosmologie sagt einen großen Beitrag nicht leuchtender, vornehmlich über Schwerkraft wechselwirkender Materie zum Gesamtenergiegehalt des Universums voraus. Diese so genannte dunkle Materie stellt Experimentalphysiker durch ihre schwer fassbare Natur seit fast einem Jahrhundert vor große Herausforderungen. Zum Zeitpukt der Veröffentlichung dieser Arbeit liegt nach wie vor kein unstrittiger experimenteller Nachweis von dunkle-Materie-Teilchen vor. Das favorisierte Paradigma geht davon aus, dass dunkle-Materie-Teilchen ein thermisches Relikt aus einer früheren Epoche des Universums sind. Diese Teilchen, sogenannte WIMPs, sind schwach wechselwirkend, massiv und stabil. Diese WIMPs befinden sich in der dichten und heissen Anfangsphase des Universums im thermischen Gleichgewicht mit allen anderen Teilchen. Durch die Expansion des Universums reduzierten sich Energie-und WIMP-Dichte soweit, dass Produktion und Vernichtung zum Erliegen kamen und die zu diesem Zeitpunkt vorherrschende WIMP-Dichte eingefroren wurde. Im weiteren Verlauf sind WIMPs vor allem als die dominierende gravitative Komponente für die Entwicklung des Universums relevant. Unter der Annahme einer nur aus WIMP bestehenden Zusammensetzung der dunklen Materie werden Teilchenmassen wenigstens von ~GeV/c2 erwartet. Leichtere WIMPs würden in zu großer Menge entstehen. Das Fehlen positiver Signale aus den verschiedenen Versuchen, dunkle-Materie-Teilchen zu detektieren, lenkte die Aufmerksamtkeit auf einer Reihe von nicht-Standard Szenarien, die nicht an den genannten Massenbereich gebunden sind. Das CRESST-Experiment ist eine der erfolgreichsten experimentellen Bemühungen, die versuchen, dieses Mysterium der Natur zu lösen. Ziel ist es, in der Milchstraße vorhandene dunkle Materie mit einem empfindlichen Teilchenetektor direkt nachzuweisen. Eine exzellente Energieauflösung und die Möglichkeit, zwischen verschiedenen Teilchenarten zu unterscheiden, sind zwei entscheidende Punkte, die CRESST zu einem wettbewerbsfähigen Experiment im Bereich der Suche nach dunkler Materie machen. Die zweite Stufe des Experiments erreichte eine weltweit führende Empfindlichkeit für dunkle-Materieteilchen mit einer Masse unter 1,7 GeV/c2. Der Energieschwelle, die eng mit der Energieauflösung verbunden ist, kommt hierbei eine Schlüsselrolle zu. Die neue Stufe des Experiments, CRESST-III, wurde speziell optimiert, um diesen Parameter weiter zu verbessern und eine bisher unerreichte Empfindlichkeit gegenüber Wechselwirkungen mit Energien <100eV zu erreichen. Das erste Kapitel dieser Doktorarbeit widmet sich der Darstellung des kosmologischen Standardszenarios und der wichtigsten Beweise für das Vorhandensein dunkler Materie. Das zweite Kapitel konzentriert sich auf die wichtigsten experimentellen Techniken, die zur Identifizierung der dunklen-Materie-Teilchen eingesetzt werden. Die gesuchte Signatur bei der direkten Suche wird mit Fokus auf das CRESST Experiment diskutiert. Das dritte Kapitel konzentriert sich auf kryogene Detektoren, den CRESST-Aufbau im Laboratori Nazionali del Gran Sasso und die neu eingesetzten CRESST-III-Detektormodule. Das vierte Kapitel ist ganz der Optimierung des entscheidenden Parameters gewidmet: der Energieschwelle. Eine neue Datenerfassung und eine neuartige auf der Optimum Filter-Technik basierende Analyse werden beschrieben und mit der herkömmlichen Erfassung und Datenverarbeitung verglichen. Die Verbesserung der Empfindlichkeit und die Erweiterung der Nachweisgrenze zu geringeren Massen werden quantifiziert. Das fünfte und letzte Kapitel führt eine neue Betriebskonfiguration für die von CRESST hergestellten Temperatursensoren ein. Ein erster Proof Of Principle durch einen erfolgreich betriebenen Detektor wird präsentiert. Die notwendigen weiteren Verbesserungen für eine dauerhafte Verwendung der neuen Konfiguration werden diskutiert

RES-NOVA: A new neutrino observatory based on archaeological lead

We propose the RES-NOVA project which will hunt neutrinos from core-collapse supernovae (SN) via coherent elastic neutrino-nucleus scattering (CE$\nu$NS) using an array of archaeological lead (Pb) based cryogenic detectors. The high CE$\nu$NS cross-section on Pb and the ultra-high radiopurity of archaeological Pb enable the operation of a high statistics experiment equally sensitive to all neutrino flavors with reduced detector dimensions in comparison with existing Neutrino Observatories, and easy scalability to larger detector volumes. RES-NOVA is planned to operate according to three phases with increasing detector volumes: (60 cm)$^3$, (140 cm)$^3$, and ultimately 15$\times$(140 cm)$^3$. It will be sensitive to SN bursts up to Andromeda with 5$\sigma$ sensitivity with already existing technologies and will have excellent energy resolution with $1$ keV threshold. Within our Galaxy, it will be possible to discriminate core-collapse SNe from black hole forming collapses with no ambiguity even in the first phase of RES-NOVA. The average neutrino energy of all flavors, the SN neutrino light curve, and the total energy emitted in neutrinos can potentially be constrained with a precision of few $\%$ in the final detector phase. RES-NOVA will be sensitive to flavor-blind neutrinos from the diffuse SN neutrino background with an exposure of $620$ ton $\cdot$ y. The proposed RES-NOVA project has the potential to lay down the foundations for a new generation of neutrino telescopes, while relying on a very simple technological setu

Publishing statistical models: Getting the most out of particle physics experiments

International audienceThe statistical models used to derive the results of experimental analyses are of incredible scientific value and are essential information for analysis preservation and reuse. In this paper, we make the scientific case for systematically publishing the full statistical models and discuss the technical developments that make this practical. By means of a variety of physics cases -- including parton distribution functions, Higgs boson measurements, effective field theory interpretations, direct searches for new physics, heavy flavor physics, direct dark matter detection, world averages, and beyond the Standard Model global fits -- we illustrate how detailed information on the statistical modelling can enhance the short- and long-term impact of experimental results

EXCESS workshop: Descriptions of rising low-energy spectra

International audienceMany low-threshold experiments observe sharply rising event rates of yet unknown origins below a few hundred eV, and larger than expected from known backgrounds. Due to the significant impact of this excess on the dark matter or neutrino sensitivity of these experiments, a collective effort has been started to share the knowledge about the individual observations. For this, the EXCESS Workshop was initiated. In its first iteration in June 2021, ten rare event search collaborations contributed to this initiative via talks and discussions. The contributing collaborations were CONNIE, CRESST, DAMIC, EDELWEISS, MINER, NEWS-G, NUCLEUS, RICOCHET, SENSEI and SuperCDMS. They presented data about their observed energy spectra and known backgrounds together with details about the respective measurements. In this paper, we summarize the presented information and give a comprehensive overview of the similarities and differences between the distinct measurements. The provided data is furthermore publicly available on the workshop’s data repository together with a plotting tool for visualization