Kryogene Plattform und Zelle für supraflüssiges Helium

• Antragsteller: Professor Dr. Christian Walter Dietrich Enss
• 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 Teilprojekte realisiert werden. Jedes Teilprojekt spielt eine grundlegende und einzigartige Rolle, wobei dieses Teilprojekt für die Entwicklung, das Design und den Bau der Zelle für das superfluide Helium und der kryogenen Plattform des Experiments verantwortlich ist. Für die Zelle selbst und die kryogene Umgebung, in der sie betrieben wird, müssen eine Reihe von spezifischen Anforderungen erfüllt werden. Die Temperatur der Zelle sollte deutlich unter dem Lambda-Übergang (2,17 K) liegen, um die suprafluide Komponente zu maximieren und die Streuung an thermischen Anregungen zu minimieren. Idealerweise sollte die Betriebstemperatur sollte unter 20 mK liegen. Dies erfordert die Kühlung der Zelle mit einem Verdünnungskryostaten mit ausreichender Kühlleistung und Platz für die Zelle sowie einen Filmverbrenner, der erforderlich ist, um den an den Wänden der Zelle hochkriechenden suprafluiden Film zu verdampfen. Außerdem sollte es möglich sein, den Kryostaten ferngesteuert zu betreiben. Hierfür wird ein handelsüblicher trockener Verdünnungskryostat mit zwei unabhängigen Verdünnungseinheiten als kryogene Plattform verwendet und an die spezifischen Erfordernisse des Projekts angepasst. Das superfluide 4He selbst muss gereinigt und insbesondere von 3He-Verunreinigungen befreit werden, um die mittlere freie Weglänge der bei einem Ereignis erzeugten athermischen Quasiteilchen nicht zu limitieren. Zu diesem Zweck werden ein geeigneter Heat-Flush-Reiniger, der bei niedrigen Temperaturen arbeitet, und ein Superleck entwickelt und in den kryogenen Aufbau integriert. Außerdem wird ein empfindlicher Füllstandssensor zur Überwachung des Heliumpegels in der Zelle benötigt. Parallel dazu werden Forschungs- und Entwicklungsprojekte durchgeführt, die für eine zweite Phase des DELight-Experiments erforderlich sind. Dazu gehören u.a. die Untersuchung des Quasiteilchensignals mit Wafer-Kalorimetern in der Flüssigkeit, die Entwicklung eines Quasiteilchen-Reflexionssystems und die Entwicklung alternativer Verfahren zur Unterdrückung des Filmflusses.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 6006: DELight: ein Experiment zur direkten Suche nach leichter dunkler Materie mit supraflüssigem Helium
• Mitverantwortliche: Professor Dr. Sebastian Kempf; Dr. Sebastian Lindemann