Suche nach Dunkler Materie und Compton-Polarimetrie am Internationalen Linear Collider

• Antragstellerin: Dr. Jenny List
• Fachliche Zuordnung: Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder
• Förderung: Förderung von 2005 bis 2012
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 17752283

• Erstellungsjahr: 2012

Zusammenfassung der Projektergebnisse

In diesem Projekt wurden das Potential eines zukünftigen e+e− Linear Colliders zur Entschlusselung der Natur von Dunkler Materie untersucht. Dabei wurden zwei mögliche Szenarien unter realistischen experimentellen Bedingungen analysiert und insbesondere der Einfluss von Beschleunigerparametern wie der Strahpolarisation oder den Untergrundbedingungen studiert. Das eine Bespielszenario ist gekennzeichnet durch eine kleine Massendifferenz von rund 10 GeV zwischen dem Dunklen Materie Kandidaten χ1^-0 , dem leichtesten supersymmetrischen Teilchen, und dem nächstschweren Teilchen, einem der supersymmetrischen Partner des τ –Leptons. Es wurde gezeigt, dass die Masse des τ , die entscheidend den annihilationswirkungsquerschnitt und damit die Restdichte der Dunklen Materie entscheidend beeinflusst, auf 30 MeV⊕1.1 · δMχ1^-0 bestimmt werden kann. Ergänzend zu diesem spezifischen supersymmetrischen Szenario wurde ein nahezu modell-unabhängiger Ansatz verfolgt, in dem ausser der Dunklen Materie selbst keine weiteren neuen Teilchen angenommen werden. In diesem Fall kann die Paarproduktion dieser für Collider–Detektoren unsichtbaren Dunklen Materie Teilchen durch den Rückstoß eines von dem einlaufenden Elektron oder Positron abgestrahlten Photons nachgewiesen werden. Es wurde gezeigt, dass mit polarisiertem Elektron- und Positronstrahl nur aus der Energieverteilung der Photonen die Masse der Dunklen Materie Teilchen auf ca. 1 GeV genau bestimmt werden kann, während der Wirkungsquerschnitt der Dunklen Materie Produktion auf wenige Prozent genau gemessen werden kann. Ausserdem kann dank der Polarisation die Helizitätsstruktur sowie die dominante Partialwelle der Wechselwirkung der Dunklen Materie mit den Standardmodell-Teilchen ermittelt werden. Dabei hat es sich gezeigt, dass sowohl die Positronpolarisation als auch die Messung der Strahlpolarisationen mit Genauigkeiten im Promille–Bereich entscheidend sind. Im anderen Teil des Projektes ging es daher darum, Compton-Polarimeter für den Linear Collider zu entwickeln, die Messgenauigkeiten im Promille–Bereich liefern und damit mindestens um einen Faktor 2 präziser sind als das bisher beste Compton–Polarimeter, das beim SLC im Einsatz war. Zu diesem Zweck wurde ein Prototyp für den Cherenkov-Detektor zum Nachweis der Compton-gestreuten Elektronen anhand von Simulationen optimiert, und anschliessend gebaut und erfolgreich im Teststrahl betrieben. Dabei wurde eine neue Kalibrationsmethode entwickelt, die im Gegensatz zu anderen Methoden ¨ nicht auf dedizierte Strahlzeit angewiesen ist, sondern während der laufenden Polarisationsmessung angewendet werden kann. Desweiteren wurde das Design des gesamten upstream–Polarimeters inkl. der ca. 70 m langen Magnetschikane reoptimiert und die Spin–Prazession entlang des ca. 2 km langen, Beam Delivery System genannten Beschleunigerabschnitts zwischen upstream-Polarimeter, Wechselwirkungspunkt und downstream-Polarimeter simuliert. Diese Studien dienten dazu sichersuztellen, dass das z.B. nun in den Technical Design Report des International Linear Colliders eingeflossene Gesamtkonzept eine gleichbleibend hohe Präzision in der Bestimmung der luminositatsgewichteten mittleren Polarisation bei allen relevanten Strahlenergien gewährleistet. Damit wurden alle wesentliche Ziele des Projektes erreicht.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• “Improvements to the ILC Upstream Polarimeter,”
  J. List and D. Käfer
  
• On the equivalence of semi-classical methods for QED in intense external fields,” J. Phys. Conf. Ser. 198 (2009) 012004
  A. Hartin
  
• “Evaluation of different photodetector types for an ILC polarimeter,” Nucl. Instrum. Meth. A 610 (2009) 387
  C. Helebrant
  
• “Polarimeters and Energy Spectrometers for the ILC Beam Delivery System,” JINST 4 (2009) P10015
  S. Boogert et al.
  
• “Precision Polarimetry at the ILC: Concepts, Simulations and experiments,” Nucl. Instrum. Meth. A 623 (2010) 570
  C. Bartels, A. Hartin, C. Helebrant, D. Käfer and J. List
  
• “Prospects for the study of the τ -system ˜ in SPS1a’ at the ILC,” Phys. Rev. D 82 (2010) 055016
  P. Bechtle, M. Berggren, J. List, P. Schade and O. Stempel
  
• Full quantum treatment of spin-dependent beam-beam processes at linear colliders,” J. Phys. Conf. Ser. 295 (2011) 012158
  A. Hartin
  
• “Cherenkov detector prototype for ILC polarimetry,” J. Phys. Conf. Ser. 295 (2011) 012139
  D. Käfer, C. Bartels, C. Helebrant and J. List
  
• “Spin tracking studies for polarimetry at the ILC,” J. Phys. Conf. Ser. 295 (2011) 012134
  M. Beckmann and J. List
  
• “Characterising WIMPs at a future e+ e− Linear Collider,” Eur. Phys. J. C 72 (2012) 2213
  C. Bartels, M. Berggren and J. List
  
• “Design and Construction of a Cherenkov Detector for Compton Polarimetry at the ILC,” JINST 7 (2012) P01019
  C. Bartels, J. Ebert, A. Hartin, C. Helebrant, D. Käfer and J. List