Detector optimization based on studies of charge migration in the high purity germanium crystals of the EDELWEISS dark matter experiment

Kosmologische Beobachtungen auf allen Größenskalen des Universums haben gezeigt, dass 86 % der gesamten Masse im Universum aus nicht-leuchtender, gravitativ wechselwirk- ender Dunkler Materie besteht, wohingegen die bekannte baryonische Materie nur 14 % ausmacht. Obwohl schwach wechselwirkende massive Teilchen (Weakly Interacting Massive Particles, WIMPs) bisher noch nicht nachgewiesen wurden, stellen sie attraktive Anwärter auf ein Dunkle Materie Teilchen dar, weil sie zum einen auf natürliche Weise die heute beobachtete Dichte von Dunkler Materie erklären und zum anderen stabil und neutral sind, selten mit normaler Materie wechselwirken und auch eine niedrige Selbstwechsel- wirkungsrate aufweisen. Ursprünglich wurde angenommen, dass WIMPs hohe Massen im Bereich zwischen 100 GeV/c2 und 1 TeV/c2 haben sollten, allerdings gehören heutzu- tage auch WIMPs mit niedrigen Massen (low-mass WIMPs) von einigen GeV/c2 zu den potentiellen Anwärtern. Die Experimente zur direkten Suche nach Dunkler Materie ver- suchen, den elastischen Stoß eines WIMPs mit einem Target-Nukleon nachzuweisen. Da der Energieübertrag bei so einem Stoß sehr klein ist, müssen Dunkler Materie Detektoren eine exzellente Unterdrückung von Untergrundereignissen und sehr niedrige Detektions- schwellen aufweisen. Insbesondere für die Messung von low-mass WIMPs sind Detektions- schwellen im sub-keV Bereich notwendig. Diese Arbeit wurde im Rahmen des EDELWEISS Experiments angefertigt, welches als Ziel hat, Wechselwirkungen von WIMPs in hochreinen Germanium Kristallen (High Purity Germanium, HPGe) zu messen. Die ausgezeichnete Funktionsweise dieser Detek- toren wurde bereits in der 3. Phase des Experiments gezeigt und erlaubte Ausschluss- werte für den WIMP-Nukleon Streuwirkungsquerschnitt bis zu niedrigen WIMP Teilchen- massen von 4 GeV/c2 zu bestimmen. Dieser Erfolg basiert auf der gleichzeitigen Mess- ung des Ionisierungs- (Elektron und Loch Paare) und Wärmesignals (Phononen) eines gestoßenen Teilchens. Über das Verhältnis von Ionisationsenergie zu Wärmesignal können Kernrückstöße und Elektronenrückstöße unterschieden werden, wobei erstere durch WIMPs verursacht werden und letztere durch γ- und β- Untergrundstrahlung. Zusätzlich besitzen die Detektoren ein spezielles Elektrodendesign (Fully Inter Digitized, FID), das die Iden- tifizierung und Verwerfung von oberflächennahen Ereignissen erlaubt, welche oft vom Ein- fang von Ladungsträgern betroffen sind, was wiederum zu einer unvollständigen Messung der Ionisationsenergie führt. iii iv Die nächste Phase des EDELWEISS Experiments begann im Dezember 2016 und hat zum Ziel, die Sensitivität für low-mass WIMPs mit mχ ≈ 1 GeV/c2 zu erreichen. Dies bedingt niedrige Detektionsschwellen im sub-keV Bereich. Erreicht werden kann dies, in- dem die HPGe Kristalle mit hohen elektrischen Feldern von bis zu 100 V/cm betrieben werden. Dies führt zu einer Verstärkung des Wärmesignal basierend auf dem Neganov- Trofimov-Luke (NTL) Effekt. Während Elektronen und Löcher durch den Kristall driften, werden sekundäre Phononen erzeugt, deren Anzahl mit dem angelegten elektrischen Feld ansteigt. Das ermöglicht eine Reduzierung der Detektionsschwelle im Wärmekanal auf unter 100 eV. Allerdings geht die Diskriminierung von Elektronen- und Kernrückstößen, sowie die Identifizierung von oberflächennahen Ereignissen verloren. Im Fokus dieser Arbeit stehen die Ladungstransporteigenschaften von Elektronen und Löchern in den HPGe Kristallen bei niedrigen und hohen elektrischen Feldern, da das Verständnis dieser Eigenschaften wesentlich ist, um die NTL Verstärkung wirkungsvoll zu nutzen. Zu diesem Zweck wurde ein umfangreiches Kalibrierungsexperiment mit einem FID HPGe Detektor in einem Oberflächenlabor durchgeführt und die experimentellen Ergeb- nisse mit Ladungstransportsimulationen in den EDELWEISS Detektoren verglichen. Der erste Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Analyse der Pulsformen der Ionisa- tionssignale. Diese Analyse erlaubt, Ladungtransporteigenschaften zu untersuchen, da die Form der Ionisationssignale eine direkte Konsequenz aus dem Transport von Elektronen und Löchern in den HPGe Kristallen ist. Die Analyse der Anstiegszeiten der Ionisationssig- nale bei hohen und niedrigen elektrischen Feldern zeigt, dass Simulationen und Messergeb- nisse gut übereinstimmen. Zusätzlich zeigt sich, dass oberflächennahe Ereignisse kürzere Anstiegszeiten als Ereignisse im Inneren des Detektors haben und folglich eine Diskrim- inierung von oberflächennahen Ereignissen möglich ist. Abschließend wird gezeigt, dass die Anstiegszeiten geeignet sind, frühzeitig das Entstehen von Raumladung und somit eine Verschlechterung der Ladungssammlung zu erkennen. Der zweite Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Funktionsweise der HPGe Detek- toren bei hohen elektrischen Feldern. In diesem Fall sind nicht nur die Ionisationssignale sondern auch das Wärmesignal stark von Ladungstransportprozessen beeinträchtigt, da das Wärmesignal von sekundären Phononen, die durch driftende Elektronen und Löchern entstehen, dominiert wird. Auch hier zeigte sich, dass Simulation und Messung gut über- einstimmen. Es stellte sich heraus, dass die Detektorsignale stark von Ladungseinfang beeinträchtigt sind, was zu unvollständiger Ladungssammlung und reduzierten Wärmes- ignalen führt. Davon betroffen sind vor allem Ereignisse, die nahe der Oberfläche und zwischen den Ringelektroden auftreten. Um den Einfluss von reduzierter Ladungssamm- lung für oberflächennahe Ereignisse zu minimieren, führen wir eine Optimierung der Elek- trodenkonfiguration durch. Da im Falle von hohen elektrischen Feldern, die Detektions- schwelle niedrig ist, dominiert niedrigenergetische Untergrundstrahlung im oberflächenna- hen Bereich. Deswegen liegt der Schwerpunkt der Optimierung auf Energieeinträgen, die nahe der Oberfläche einer Schicht d ∈ [200 nm, 1 μm] stattfinden. Vor allem ein geändertes Design der Elektroden, das nur noch aus 2 großflächigen Elektroden besteht, erlaubt im Vergleich zu einem FID Detektor eine signifikante Reduktion der Ereignisse, die von un- vollständiger Ladungssammlung beeinflusst werden. v Die spannungsunterstützte Messung von Ionisierung als Wärmesignal in Halbleiterde- tektoren ist ein vielversprechender und zukunftsweisender Weg um höhere Sensitivität für low-mass WIMPs zu erreichen. Dies macht ein gutes Verständnis von Ladungstrans- portprozessen und die Vermeidung von Signalreduzierung durch Ladungseinfang um so wichtiger. Diese Arbeit zeigt, dass der Ladungstransport in HPGe Detektoren bei tiefen Temperaturen und für elektrische Felder zwischen 2 V/cm und 50 V/cm und höher gut verstanden ist. Dadurch wird eine zuverlässige Rekonstruktion der Energieeinträge im Detektor auch bei hohen elektrischen Feldern möglich. Diese in dieser Arbeit gezeigte Verlässlichkeit der Energieskala erlaubt, den nächsten Schritt in Richtung der Detektion von low-mass WIMPs anzugehen

Multiband Wavelet Age Modeling for a ∼293 m (∼600 kyr) Sediment Core From Chew Bahir Basin, Southern Ethiopian Rift

The use of cyclostratigraphy to reconstruct the timing of deposition of lacustrine deposits requires sophisticated tuning techniques that can accommodate continuous long-term changes in sedimentation rates. However, most tuning methods use stationary filters that are unable to take into account such long-term variations in accumulation rates. To overcome this problem we present herein a new multiband wavelet age modeling (MUBAWA) technique that is particularly suitable for such situations and demonstrate its use on a 293 m composite core from the Chew Bahir basin, southern Ethiopian rift. In contrast to traditional tuning methods, which use a single, defined bandpass filter, the new method uses an adaptive bandpass filter that adapts to changes in continuous spatial frequency evolution paths in a wavelet power spectrum, within which the wavelength varies considerably along the length of the core due to continuous changes in long-term sedimentation rates. We first applied the MUBAWA technique to a synthetic data set before then using it to establish an age model for the approximately 293 m long composite core from the Chew Bahir basin. For this we used the 2nd principal component of color reflectance values from the sediment, which showed distinct cycles with wavelengths of 10–15 and of ∼40 m that were probably a result of the influence of orbital cycles. We used six independent 40Ar/39Ar ages from volcanic ash layers within the core to determine an approximate spatial frequency range for the orbital signal. Our results demonstrate that the new wavelet-based age modeling technique can significantly increase the accuracy of tuned age models

Towards the construction of an educational model for dual career parenting:the EMPATIA project

The European Union supports innovative transnational cooperation and practices between Member States on relevant issues in the field of sports, including a balanced combination of higher education and sporting careers of talented and elite athletes (dual career). Ten European academic and sport institutions aimed to construct an educational programme for parents supporting the dual career of their elite athletes. The innovative methodological approach to the co-construction of a parent education based on evidence and eminence of the actual needs of parents in relation to the age, sex, sport typology, competition and academic levels of student-athletes is described. Finally, the potentially far-reaching effects of digital technologies on adult learning and the innovative aspects of a multi-lingual and demand-driven dual career parenting education are envisaged.</p

Multiband Wavelet Age Modeling for a similar to 293 m (similar to 600 kyr) Sediment Core From Chew Bahir Basin, Southern Ethiopian Rift

The use of cyclostratigraphy to reconstruct the timing of deposition of lacustrine deposits requires sophisticated tuning techniques that can accommodate continuous long-term changes in sedimentation rates. However, most tuning methods use stationary filters that are unable to take into account such long-term variations in accumulation rates. To overcome this problem we present herein a new multiband wavelet age modeling (MUBAWA) technique that is particularly suitable for such situations and demonstrate its use on a 293 m composite core from the Chew Bahir basin, southern Ethiopian rift. In contrast to traditional tuning methods, which use a single, defined bandpass filter, the new method uses an adaptive bandpass filter that adapts to changes in continuous spatial frequency evolution paths in a wavelet power spectrum, within which the wavelength varies considerably along the length of the core due to continuous changes in long-term sedimentation rates. We first applied the MUBAWA technique to a synthetic data set before then using it to establish an age model for the approximately 293 m long composite core from the Chew Bahir basin. For this we used the 2nd principal component of color reflectance values from the sediment, which showed distinct cycles with wavelengths of 10-15 and of similar to 40 m that were probably a result of the influence of orbital cycles. We used six independent 40Ar/39Ar ages from volcanic ash layers within the core to determine an approximate spatial frequency range for the orbital signal. Our results demonstrate that the new wavelet-based age modeling technique can significantly increase the accuracy of tuned age models

Northern Hemisphere Glaciation, African climate and human evolution

The hypothesis of a connection between the onset (or intensification) of Northern Hemisphere Glaciation, the stepwise increase in African aridity (and climate variability), and an important mammalian (including hominin) species turnover is a textbook example of the initiation of a scientific idea and its propagation in science. It is, however, also an example of the persistent popularity of a hypothesis despite mounting evidence against it. A critical review of key publications on the topic and statistical re-analysis of key records of global ice volume and African climate leads to three conclusions: (1) The Northern Hemisphere Glaciation was a gradual process occurring between similar to 3.5 and 2.5 Ma, not a single event at similar to 2.8 Ma or at any other time. (2) A consistent stepwise (+/-0.2 Ma) transition toward greater aridity in Africa at similar to 2.8 Ma does not exist; instead, there are regionally different, gradual transitions partly in connection with the intensification of the Northern Hemisphere Glaciation, but above all with the establishment of the tropical Walker Circulation after similar to 2 Ma. (3) Mammalian (including hominin) species turnovers at this time also appear to have been gradual, rather than stepwise. (C) 2021 Elsevier Ltd. All rights reserved

Circulating CD21low B cells in common variable immunodeficiency resemble tissue homing, innate-like B cells

The homeostasis of circulating B cell subsets in the peripheral blood of healthy adults is well regulated, but in disease it can be severely disturbed. Thus, a subgroup of patients with common variable immunodeficiency (CVID) presents with an extraordinary expansion of an unusual B cell population characterized by the low expression of CD21. CD21low B cells are polyclonal, unmutated IgM+IgD+ B cells but carry a highly distinct gene expression profile which differs from conventional naïve B cells. Interestingly, while clearly not representing a memory population, they do share several features with the recently defined memory-like tissue, Fc receptor-like 4 positive B cell population in the tonsils of healthy donors. CD21low B cells show signs of previous activation and proliferation in vivo, while exhibiting defective calcium signaling and poor proliferation in response to B cell receptor stimulation. CD21low B cells express decreased amounts of homeostatic but increased levels of inflammatory chemokine receptors. This might explain their preferential homing to peripheral tissues like the bronchoalveolar space of CVID or the synovium of rheumatoid arthritis patients. Therefore, as a result of the close resemblance to the gene expression profile, phenotype, function and preferential tissue homing of murine B1 B cells, we suggest that CD21low B cells represent a human innate-like B cell population

Understanding the educational needs of parenting athletes involved in sport and education: the parents’ view

Background: Despite the fact that an educational programme for parents of youth tennis players has been launched recently, there is a need to empower parents of athletes in sustaining the combination of education and sport careers (i.e., dual career) of their talented and elite athletes across sports. The aim of this study was to explore the parents’ view of their role as dual career supporters and their need for educational support in this area. Methods: In total, 115 parents (F = 49, M = 66) of athletes (14–23 yrs) engaged in full time academic education (high school/university) and competitive (e.g., National, International) sports (individual = 12, team = 9) in five European Member States (e.g., France, Ireland, Italy, Portugal, Slovenia) took part in national workshops. The workshops involved discussing five themes and agreeing statements relevant to assist parents supporting their children as dual career athletes: 1) the athletes’ needs; 2) the sports environment; 3) the academic environment; 4) dual career-related policies and services; 5) The educational methods for parenting dual career athletes. Results: A final list of 80 agreed statements were identified: 25 statements mainly related to the sports entourage; 23 to information on dual career-related policies and services; 22 to the athletes’ needs; 17 to the academic entourage, and 8 to the relevant educational resources to parenting dual career athletes, respectively