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Kalibrierung einer Neutronenquelle für das XENON-Experiment

08.07.2014

Das XENON Dark Matter Project ist ein Experiment zur Suche nach WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles), einer Variante der Dunklen Materie. Das Experiment ist im Gran-Sasso-Untergrundlabor aufgebaut und nutzt flüssiges Xenon als Targetmaterial für den Nachweis supersymmetrischer Teilchen. An diesem Experiment sind zahlreiche Universitäten und Laboratorien weltweit beteiligt.

Im Detektor wird nach Ereignissen gesucht, bei der WIMPs einen Rückstoßkern erzeugen, und die durch eine bestimmte Signatur in denen Messsignalen erkannt werden können. Durch Kalibriermessungen mit einer Neutronenquelle, mit der im Xenon ebenfalls Rückstoßkerne erzeugt werden, wird festgelegt, ob ein Ereignis die geforderten Kriterien erfüllt. Außerdem muss bei der Analyse der im XENON-Detektor registrierten Ereignisse der Beitrag berücksichtigt werden, der von den Neutronen im Untergrundlabor stammt.

Diese Eigenschaften des Detektors werden mit Teilchentransportrechnungen untersucht. Zur Validierung der Rechnungen ist eine Messung mit einer schwachen Neutronenquelle erforderlich, die eine bekannte Quellstärke aufweist. Im Rahmen der XENON100-Kollaboration wurde 241Am-Be-Neutronenquelle beschafft und aus der vom Hersteller angegebenen 241Am-Aktivität von (3,7 ± 0,5) MBq eine Neutronenquellstärke von (220 ± 30) s-1 ermittelt. Bei den Messungen mit dieser Quelle am XENON-Detektor ergab sich eine deutliche Diskrepanz mit den Ergebnissen der Teilchentransportrechnungen.

Zur weiteren Klärung wurde eine präzise Messung der Quellstärke dieser Quelle durch die PTB durchgeführt. Dazu wurde ein 3He-Detektor des Bonnerkugel Spektrometers NEMUS in einer Moderatoranordnung (Abb. 1) benutzt. Durch Vergleich der XENON100-Neutronenquelle mit einer PTB-Kalibrierquelle gleichen Typs, deren Quellstärke auf nationale Normale rückführbar ist, wurde die Quellstärke bestimmt. Dabei wurden auch der Einfluss der Orientierung der Quelle in der Bestrahlungseinrichtung und der Beitrag zur Messunsicherheit untersucht (Abb. 2).

 

Abbildung 1: Aufbau zur Messung der Neutronenquellstärke. In einem Moderator aus Paraffin sind der 3He-Detektor und die zu untersuchende Neutronenquelle untergebracht.

Abbildung 2: Auf den Mittelwert normierte Zählrate für verschiedene Emissionsrichtungen der Neutronenquelle

Diese Messungen ergaben einen Wert der Quellstärke von (159,6 ± 3,9) s-1. Mit diesem, von nominellen Wert um ca. 30 % abweichenden Ergebnis, ergibt sich eine sehr gute Übereinstimmung zwischen Teilchentransportrechnungen und Messungen.

Literatur:

 

  1. E. Aprile et al.:
    Response of the XENON100 dark matter detector to nuclear recoils.
    Phys. Rev. D 88, 012006 (2013)