DELight: Untergrund des Experiments

• Antragsteller: Professor Dr. Marc Schumann
• 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 durch den Einsatz großflächiger magnetischer Mikrokalorimeter (MMCs) erreichbare niedrige Energieschwelle, seine geringe intrinsische Radioaktivität und die Verfügbarkeit mehrerer Signalkanäle machen LHe zu einem idealen Detektionsmedium zur Suche nach LDM. DELight kann nur durch das Zusammenspiel seiner sechs Projekte realisiert werden. Jedes Projekt spielt dabei eine zentrale und einzigartige Rolle, wobei dieses Projekt dafür verantwortlich ist, ein ausreichend geringes Untergrundniveau im Detektor zu erreichen, um eine kompetitive Suche nach LDM durchführen zu können. Das wissenschaftliche Ziel der ersten Phase (Phase-I) von DELight, die innerhalb der ersten vierjährigen Förderperiode abgeschlossen werden soll, ist die Suche nach LDM mit Massen >~60 MeV/c2. Dafür wird ein Datensatz im Umfang von 1 kg x d und eine Detektorschwelle von 20 eV angestrebt, d.h. sehr nahe der atomaren Helium-Anregungsschwelle von 19,82 eV. Damit kann neuer Parameterraum mit Wirkungsquerschnitten unterhalb von 1e-39 cm2 für Spin-unabhängige LDM-Nukleon-Streuung erforscht werden. Die zweite Phase (Phase-II) zielt auf eine noch niedrigere Energieschwelle und einen 100-fach größeren Datensatz, um die Empfindlichkeit um etwa zwei Größenordnungen zu verbessern und einen noch niedrigeren LDM Massenbereich abzudecken. Diese Vorhersagen zur Detektorempfindlichkeit beruhen dabei auf einem vereinfachten Untergrundszenario, welches auf vorläufigen Untersuchungen basiert. Da Untergrundquellen allgegenwärtig sind und Untergrundereignisse aus der Umgebung (Gammastrahlung, Neutronen, Myonen, Myon-induzierte Untergründe) und aus dem Detektor selbst, sowie den zur Abschirmung verwendeten Materialien stammen (Alpha/Beta/Gamma-Strahlung, Neutronen), müssen zum Bau von DELight verschiedene "Low-Background"-Methoden sowie mehrere Strategien zur Verringerung des Untergrunds angewendet werden. Die Aufgabe dieses Projekts innerhalb der Forschungsgruppe besteht darin, sicherzustellen, dass die Untergrundanforderungen für Phase I erreicht werden. Gleichzeitig soll die nachfolgende Phase II vorbereitet werden. Dies wird erreicht durch die Identifizierung von Materialien mit geringer Radioaktivität für den Bau des Detektors sowie aller Systeme in der Nähe des LHe-Targets und durch die Untersuchung und Entwicklung massiver Abschirmungen zur Reduzierung von Strahlung aus der Laborumgebung. Im Rahmen dieses Projekts wird auch das Untergrundmodell von DELight im unterirdischen Labor bestimmt; dieses ist ein entscheidender Input für die LDM Suche. Eine detaillierte Simulation des DELight-Detektors, die im Rahmen dieses Projekts entwickelt werden soll, bildet die Grundlage für diese Aufgaben.

• 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. Christian Walter Dietrich Enss; Dr. Sebastian Lindemann