Bestimmung des Quenchfaktors mit Skipper CCD

• Antragsteller: Jose Manuel Gomez Guzman, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 544072898

Der Quenching-Faktor (QF) ist das Verhältnis zwischen der für die Ionisierung aufgewendeten Energie und der kinetischen Energie eines zurückspringenden Kerns. Die bisher erfolgreichste Arbeit zur Bestimmung dieser Größe in ladungsgekoppelten Geräten (CCDs) wurde von Chavarría und Kollegen durchgeführt. In dieser Studie bestrahlten sie einen CCD-Detektor mit Neutronen und berechneten mit Hilfe von Monte-Carlo-Simulationen das von ihnen deponierte Energiespektrum und quantifizierten die QF-Werte für Rückstoßenergien von Siliziumkernen bis zu 700 eV. In einer weiteren Arbeit, die von Izraelevitch und Kollegen mit einer anderen Technik, aber ebenfalls mit Neutronen als Testteilchen durchgeführt wurde, gelang es, diese Größe bis zu einer Rückstoßenergie von 1790 eV zu beobachten, was mit den vorherigen Werten übereinstimmt. Die Bestimmung der Ionisationseffizienz nach dem Rückstoß eines Siliziumkerns ist sowohl in der Neutrinophysik als auch bei der Suche nach dunkler Materie zu einer äußerst wichtigen Größe geworden. Das Verhältnis zwischen der Energie, die für die Ionisierung verwendet wird, und der Energie, die als Kernrückstoß deponiert wird, bekannt als Quenching-Faktor, spielt eine entscheidende Rolle bei der Umwandlung von beobachteten Ionisierungen im Sensor in die Energie, die entweder durch die Wechselwirkung eines Neutrinos oder durch potenzielle Teilchen der dunklen Materie deponiert wird. In dieser Arbeit wird ein auf der Skipper-CCD-Technologie basierendes Experiment vorgeschlagen, um die Quenching-Funktion unterhalb von 700 eV zu bestimmen. Dieser spezielle Energiebereich ist in der Teilchenphysik von großer Bedeutung. Es wird erwartet, dass die Ergebnisse dieser Studie einen bedeutenden Einfluss auf das Gebiet haben werden, da bisher kein Experiment diese spezifische Größe bei so niedrigen Energien erfolgreich quantifiziert hat. Die Bedeutung des Erreichens dieses Bereichs liegt in der Tatsache, dass Reaktor-Neutrinowechselwirkungen, wie die kohärente elastische Neutrino-Kern-Streuung, zusammen mit den erwarteten Wechselwirkungen mit Dunkler Materie, Kernrückstoßenergien innerhalb dieses Intervalls auf die Sensormaterialien übertragen werden. Der Hauptvorteil, der sich aus dem in diesem Projekt vorgestellten Vorschlag ergibt, ist die Implementierung der innovativen Skipper-CCD-Technologie. Im Gegensatz zu einem konventionellen CCD, bei dem das Ausleserauschen zwischen 2 und 5 Elektronen liegt, sind diese Geräte in der Lage, die Ladung in jedem Pixel wiederholt und zerstörungsfrei zu messen, wodurch das Ausleserauschen bis zu einem beliebigen Grad reduziert wird. Folglich ermöglichen diese Sensoren die eindeutige Identifizierung der Ladung in jedem Pixel bis zu einigen zehn eV Ionisierungsenergie. Dieser Bereich war vor dem Aufkommen dieser Technologie, die es erst seit fünf Jahren gibt, unmöglich zu erforschen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Argentinien
• Partnerorganisation: Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas
• Kooperationspartner: Professor Dr. Gustavo Javier Otero y Garzón; Professor Dr. Dario Pablo Rodriguez Ferreira Maltez
• Mitverantwortlich: Dr. Tobias Chemnitz