On the Migdal effect in dark matter direct detection

Abstract

Das Ziel direkter Detektionsexperimenten liegt darin atomare Streuungsprozesse dunkler Materie Teilchen zu messen. Diese Masterarbeit beschäftigt sich mit der Nachweisbarkeit von dunkler Materie, mit besonderem Fokus auf "Weakly Interacting Massive Particles" (WIMPs) mit Massen unterhalb der GeV-Skala. Im kosmologischen Standardmodel sind WIMPs gravitativ an Galaxien gebunden und bewegen sich mit nichtrelativistischen Geschwindigkeiten im Orbit, wodurch elastische Streuungsprozessen mit Atomen induziert werden. Für Dunkle Materie Teilchen in der Größenordnung von etwa 100GeV kommt es zu Impulsübertragungen von etwa (100 MeV) oder weniger. Die Streuungsprozesse können durch Ionisation, Szintillation und Wärmeerzeugung in den Detektoren nachgewiesen werden. In dieser Arbeit beschreiben wir Ionisatierungsprozesse eines Elektrons durch Streuung von dunklen Materie an isolierten Atomen. Dies ist der sogenannte Migdal-Effekt. Die Arbeit befasst sich mit der Berechnung der Stärke dieses Ionisationssignals unter Verwendung von Elektronenwellenfunktionen, die aus verschiedenen numerischen Methoden erhalten wurden, wie Hartree-Fock-Wellenfunktionen, Coulomb-Wellenfunktionen, ebenen Wellen usw. Der Migdal-Effekt wird für verschiedene Atome wie Xe, I, Ge und Ar berechnet. Die erhaltenen Ergebnisse werden verwendet, um die Wahrscheinlichkeit solcher Streuungsprozesse zu schätzen und sie mit den Ergebnissen herkömmlicher Flüssig-Xenon-Detektoren, wie beispielsweise Xenon1T, zu vergleichen.The focus in direct detection experiments lies on the detectability of dark matter due to nuclear recoil signatures from dark matter particles. The master thesis will focus on the detectability of dark matter particles, especially the weakly interacting massive particles (WIMPs) with masses below the GeV scale. In standard cosmological models the WIMPs are gravitationally bound to the galaxy with nonrelativistic circular velocities, causing elastic nuclear recoils with atomic nuclei with typical momentum transfers of about (100 MeV) or less. The recoil signatures can be detected through ionization, scintillation and the production of heat in the detectors. In the thesis, we study the prompt ionization of an electron that follows a dark matter nucleus scattering event. This is the so called Migdal effect. The thesis is about the calculation and evaluation of the strength of this ionization signal by using electron wave functions obtained through various methods, such as Hartree-Fock-wave functions, Coulomb wave functions, plane waves etc. The Migdal effect will be calculated for various atoms, such as Xe, I, Ge and Ar. The obtained results will be used to calculate dark matter event rates and compare it to the results of conventional liquid xenon detectors, e.g Xenon1T