Detektorantwort und Datenanalyse

• Antragstellerin: Professorin Dr. Kathrin Valerius
• Fachliche Zuordnung: Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 561595909

DELight ist ein neues Experiment zur Suche nach Teilchen leichter dunkler Materie (LDM) mit Massen deutlich unter 1 GeV/c2 durch den Nachweis elastischer LDM-Streuung an einem Target aus kryogenem flüssigem Helium (LHe). Seine niedrige Massenzahl, die mit magnetischen Mikrokalorimetern (MMCs) erreichbare niedrige Energieschwelle, seine intrinsische Radioreinheit und die Verfügbarkeit mehrerer Signalkanäle machen LHe zu einem idealen Detektionsmedium für LDM-Suchen. DELight kann nur durch die Zusammenführung seiner sechs Projekte realisiert werden. Jedes Projekt spielt eine grundlegende und einzigartige Rolle, wobei dieses Teilprojekt (P6) verantwortlich ist für das Kalibrationskonzept, die Ereignisrekonstruktion sowie die Simulations- und Analyseketten. Darüber hinaus führt P6 Sensitivitätsstudien durch und trägt zur Entwicklung von Modellen für LDM-Wechselwirkungen bei. Potenzielle LDM-Signale im LHe-Target von DELight bestehen aus mehreren Komponenten: Phononen und Rotonen (zusammengefasst als Quasiteilchen), Szintillationsphotonen und langlebigen Exzimern. Aufbauend auf diesen Kanälen entwickelt P6 ein Simulationspaket zur Modellierung von Dektetorresponse, Signaltransport, Zeitstruktur und Signalformen. Diese Simulationen sind essenziell für die erwartete Performance, das Detektordesign und effektive Untergrundunterdrückung. Ein zentrales Ziel von P6 ist die Konzeption und Umsetzung eines Kalibrationssystems zur Validierung des Response-Modells und der Energieskala. Verwendet werden niederenergetische Röntgen- und Gammastrahler sowie geeignete Neutronenquellen. Wärmeinjektion direkt in die LAMCALs prüft die Stabilität und Homogenität der Module. Die Analysekette beginnt mit optimaler Filterung (OF) digitalisierter Signale zur Amplitudenextraktion. Die Rekonstruktion liefert Schätzwerte für Gesamtenergie und Signalzusammensetzung. Die Energieskala wird aus dedizierten Messungen der Signalerträge ("signal yields") kalibriert. Maschinelles Lernen dient der Positionsrekonstruktion zur möglichen weiteren Untergrundunterdrückung. Die Rauschcharakterisierung aller Kanäle unterstützt sowohl die Offline-Analyse als auch den Online-Trigger. Kanalübergreifende Korrelationen verbessern die Systemleistung und erlauben die Mehrkanal-Rekonstruktion. Anfänglich simulationsbasierte Signalformen werden schrittweise durch datengetriebene Modelle aus Kalibrationsdaten ersetzt. Abschließend entwickelt P6 ein statistisches Rahmenwerk zur Auswertung der DELight-Sensitivität gegenüber verschiedensten LDM-Modellen, einschließlich kurz-/langreichweitiger oder exotischer Wechselwirkungen. Multidimensionale Likelihood-Analysen und maschinelles Lernen helfen bei der Auswahl optimaler Observablen und der Untergrundreduktion. Durch sein flüssiges Target kann DELight Niederenergie-Anomalien untersuchen, die in anderen Experimenten beobachtet wurden - ein entscheidender Schritt zur Aufklärung ihrer Herkunft und zur Weiterentwicklung der Suche nach seltenen Ereignissen.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 6006: DELight: ein Experiment zur direkten Suche nach leichter dunkler Materie mit supraflüssigem Helium
• Mitverantwortliche: Dr. Klaus Eitel; Professor Dr. Felix Kahlhoefer; Professor Dr. Markus Klute