LDMX - Ein Leichtes Dunkle Materie eXperiment

• Antragsteller: Dr. Felix Klitzner
• Fachliche Zuordnung: Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 499367463

Das LDMX-Projekt ist ein beschleunigerbasiertes fixed-target Experiment. Es ist darauf ausgelegt, leichte dunkle Materie im unteren Massenbereich zwischen 1MeV und 1GeV zu entdecken. Derzeit befindet es sich in der Forschungs- und Entwicklungsphase, die Mitte 2023 enden wird, gefolgt von der etwa dreijährigen Bauphase. Durch meine zweijährige Beteiligung an dem Projekt im Rahmen des Stipendienprogramms habe ich die Möglichkeit, einen wichtigen Beitrag zur Forschungs- und Entwicklungsphase zu leisten und das Projekt dem erfolgreichen Abschluss der Bauphase einen Schritt näher zu bringen. In den einfachsten dunkle Materie Theorien koppelt das Teilchen der dunklen Materie an die normale Materie über eine neue Kraft, die durch ein neues Austauschteilchen, das so genannte dunkle Photon, vermittelt wird. Dieses dunkle Photon kann dann in dunkle Materie zerfallen. Um diese dunkle Materie zu entdecken, wird LDMX einen Elektronenstrahl von 4 bis 8GeV von der SLAC DASEL Beamline auf ein 10% Strahlungslänge dünnes Wolframtarget schießen. Das Elektron wechselwirkt mit der Wolframfolie und strahlt über dunkle Bremsstrahlung ein dunkles Photon ab. Das Elektron erhält dabei einen beträchtlichen transversalen Kick in Bezug auf die vorherige Flugbahn. Da weder das dunkle Photon noch die Teilchen der dunklen Materie über Standardmodellprozesse wechselwirken, ist im Detektor nur das energiearme, weitwinklig gestreute ausgehende Elektron sichtbar. Um darauf zu selektieren, muss die Flugbahn und Energie jedes einzelnen Elektrons genau gemessen werden. Um dies zu erreichen, besteht LDMX aus drei Hauptkomponenten: einem Siliziumstreifen-Tracker, einem elektromagnetischen Kalorimeter und einem hadronischen Kalorimeter. Mein Projekt am Caltech sieht hauptsächlich Untersuchungen am hadronischen Kalorimeter vor, das aus 25mm dicken Eisenabsorbern für den Energieverlust und 20mm dicken Polystyrol-Szintillatorstäben für die Auslese besteht. Die Geometrie ist noch nicht endgültig, weshalb noch zahlreiche Tests in den Labors des Caltech durchgeführt werden müssen. Die Tests sehen Messungen mit einer radioaktiven Strontium-90 Quelle zur Charakterisierung eines einzelnen Stabs vor. Für Effizienzstudien werden mehrere Szintillatorstäbe mit kosmischen Myonen vermessen. Ende dieses Jahres wird ein Teststrahl mit einem kleineren Prototyp des Kalorimeters an der T9-Beamline am CERN durchgeführt. Sobald ich am Caltech bin, werde ich für die Analyse der gesammelten Daten verantwortlich sein. Außerdem werde ich an der Entwicklung eines Ersatzes für das Wolfram-Target beteiligt sein: ein aktives LYSO-Target. LYSO, kurz für Lutetium-Yttrium-Oxyorthosilikat, ist ein Szintillator aus einer anorganischen chemischen Verbindung. Das direkte Auslesen des Targets ermöglicht es, Ereignisse zu unterdrücken, bei denen eine beträchtliche Energiemenge im Inneren des Targets deponiert wurde, die das charakteristische Signal fehlender Energie bei der Erzeugung dunkler Materie vortäuschen könnte.

• DFG-Verfahren: WBP Stipendium
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeber: Professor Dr. David G. Hitlin