Präzise Untergrundbestimmung für den Nachweis solarer Neutrinos in low-background Xenon-Experimenten

• Antragsteller: Ying-Ting Lin, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 565663248

Zukünftige Experimente zur direkten Suche nach Dunkler Materie, die wie XLZD Xenon als Detektor-Medium verwenden, werden auch solare pp-Neutrinos durch elastische Elektronenstreuung nachweisen können. Die erwartete Verbesserung der Empfindlichkeit wird es ermöglichen, die daraus abgeleitete Sonnenleuchtkraft mit einer Genauigkeit von unter einem Prozent zu bestimmen. Ein Schlüsselfaktor zum Erreichen dieser hohen Genauigkeit ist die Fähigkeit, die Störstrahlung durch Elektronenrückstöße zu minimieren. Diese wird hauptsächlich durch die radioaktiven Isotope von Krypton und Radon sowie durch radioaktive Spurenelemente in den Detektor-Materialien verursacht. Um dieses Problem anzugehen werden an der Universität Münster neue Destillations-Anlagen entwickelt, die erstmals eine kontinuierliche Entfernung von Krypton aus Xenon realisieren sollen sowie neue Maßstäbe in der Radonreduktion setzen werden. Derweil hat das Edelgas-Massenspektrometer (RGMS) am Max-Planck-Institut für Kernphysik die weltweit beste Nachweisgrenze von Krypton in Xenon erreicht. Um die Robustheit dieser Messungen weiter zu verbessern, wird derzeit ein automatisiertes RGMS (Auto-RGMS) entwickelt. Dieser Antrag zielt darauf ab, die Nachweisgrenze für die Hauptkomponenten der Störstrahlung durch Elektronenrückstöße um eine Größenordnung zu reduzieren. Für den Fall von Krypton wird das "Xenon Filter for Krypton Detection Enhancement (XeFKrE)-Projekt" vorgeschlagen, welches die Nachweisgrenze von Auto-RGMS für Krypton verbessern wird. Im Falle von Radon und der Beiträge von Detektor-Materialien sollen die Methoden der Datenanalyse verbessert werden. Die Bestimmung der Radon-induzierten Störstrahlung zielt auf eine verbesserte Analyse von alpha-Zerfällen unter Berücksichtigung von Verlust-Effekten ab. Im Falle der Detektor-Materialien sollen machine-learning Techniken zum Einsatz kommen, um verbesserte Event Tracking-Methoden in Simulationen zu entwickeln. Abschließend wird untersucht, wie jeder dieser Beiträge die Gesamtempfindlichkeit gegenüber solaren Neutrinos verbessert. Die Software Entwicklungen aus diesem Projekt werden mithilfe von Daten, Simulationen und Sensitivitäts-Studien aus dem Analyse-Framework des XENONnT-Experiments abgeleitet. Um diese Ziele zu erreichen, greift das Projekt auf verschiedene Verfahren zurück, die vom Aufbau neuer Detektions-System bis hin zu Innovationen in Analyse und Simulation reichen. Im Mittelpunkt steht die Synergie zwischen den Entwicklungen an der WWU Münster und dem MPIK, die eine ideale Basis für dieses Proposal schafft. Die im Rahmen dieses Projekts entwickelten Methoden werden von großer Bedeutung für alle Experimente mit niedriger Hintergrund-Strahlung sein. Letztendlich werden die Ergebnisse dieses Projekts das Potenzial für Präzisionsstudien mit solaren Neutrinos in Experimenten der nächsten Generation voll ausschöpfen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen