MMC-basiertes Detektorsystem

• Antragsteller: Professor Dr. Sebastian Kempf
• 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 für das auf magnetischen Mikrokalorimetern basierende Detektorsystem verantwortlich ist. Letzteres wird auf MMC-Technologie basieren und aus großflächigen kryogenen Mikrocalorimetern (LAMCALs) mit Energie- und Zeitauflösung bestehen, die sowohl oberhalb der Flüssigkeit als auch im suprafluidem Helium positioniert sind. Die oberhalb der Flüssigkeit angeordneten LAMCALs detektieren. 4He-Atome, die aus der Flüssigkeit gelöst werden, sowie in Richtung der Flüssig-Vakuum-Grenzfläche propagierende Photonen. Die im Heliumbad befindlichen LAMCALs decken idealerweise die gesamte Oberfläche der Heliumzelle ab und sind für den Nachweis von Triplett-Excimer-Zuständen und Szintillationsphotonen ausgelegt. In beiden Bereichen müssen die LAMCALs bei Millikelvin-Temperaturen betrieben werden und eine exzellente Energieauflösung sowie präzise Zeitinformationen liefern. Aus diesem Grund wird jedes LAMCAL aus einem dünnen, großflächigen Absorber aus Saphir bestehen, der mit räumlich verteilten paramagnetischen Temperatursensoren ausgestattet ist. Diese sind thermisch mit supraleitenden athermalen Phononen-Kollektoren verbunden. Beim Einschlag eines Teilchens entstehen im Absorber athermische Phononen, die sich so lange ballistisch ausbreiten bis sie von den Phonon-Kollektoren absorbiert werden. Dort werden sie in Quasiteilchen umgewandelt, die zu den Temperatursensoren diffundieren, dort ihre Energie deponieren und so einen messbaren Temperaturanstieg verursachen. Diese Temperaturänderung verändert die Sensormagnetisierung, die über eine spiralförmige und mit einem Auslese-SQUID verbundene Detektionsspule mit Streifenleitergeometrie erfasst wird. In der ersten Projektphase (Phase I) wird das Detektorsystem aus 56 LAMCALs in einer Pancake-Geometrie bestehen, wobei 37 LAMCLAs oberhalb der Flüssigkeit und 19 im suprafluidem Helium platziert. Die Energieauflösung der LAMCALs wird 1-2 eV (FWHM) betragen und somit eine niedrige Energieschwelle ermöglichen. Zur Vorbereitung der zweiten Projektphase (Phase II) wird sich Teilprojekt P2 auf die Erprobung einer doppelt-MMC-basierten LAMCAL-Geometrie zur Unterdrückung von Niedrigenergie-Exzess-Ereignissen, die Entwicklung eines Konzepts für ein multiplexfähiges Auslesesystem sowie die Weiterentwicklung der LAMCAL-Architektur zur Detektion von infraroten (IR) Photonen konzentrieren.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 6006: DELight: ein Experiment zur direkten Suche nach leichter dunkler Materie mit supraflüssigem Helium
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Christian Walter Dietrich Enss