Detailansicht
Light dark matter detection using repetitive non-destructive readout DePFETs
Niels Frederik Tim Wernicke
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Physics
Betreuer*in
Wolfgang Waltenberger
DOI
10.25365/thesis.76091
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-27313.74425.832119-8
Link zu u:search
(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Die Suche nach Dunkler Materie konzentrierte sich in den letzten Jahrzehnten weitgehend auf weakly interacting massive particles (WIMPs), das heißt Dunkle Materie mit einer Masse die schwerer als ein Proton ist oder oberhalb von 1 GeV/c². Diese Annahme wurde unter anderem durch die sogenannte Lee-Weinberg bound für schwach wechselwirkende Teilchen und potenzielle Synergien von derartigen Dunkle Materie Kandidaten mit Supersymmetrischen Teilchen motiviert. Aufgrund der ausbleibenden Entdeckungen dieser Teilchen in Beschleunigerexperimenten sowie von WIMPs in Experimenten zum direkten Nachweis Dunkler Materie erlangten Modelle für leichte Dunkle Materie zunehmend Bedeutung. Mit Hilfe vonepetitive non-destructive readout (RNDR) depleted p-channel field effect transistors (DePFETs) wird im DANAE Experiment versucht, diese leichte Dunkle Materie direkt nachzuweisen. Da deren Masse nicht groß genug ist, um messbare Signale in einem Streuprozess mit Atomkernen zu verursachen, werden Elektronenrückstöße studiert. Aufgrund des geringen Dunkelstroms, der hohen Sensordicke und der Möglichkeit, Signale von wenigen Elektronen aufzulösen, sind RNDR DePFETs für diese Anwendung prädestiniert. Da diese Sensoren aus aktivem Pixel bestehen, können eine Vielzahl an Pixel parallel ausgelesen werden. Das Rauschen wird verringert, indem die Ladung in jedem Pixel zerstörungsfrei wiederholt ausgelesen und gemittelt wird. In dieser Masterarbeit soll die Sensitivität des Experiments verbessert, und Daten analysiert werden. Nachdem der Aufbau des Experiments optimiert wurde, um einen besseren Betrieb zu ermöglichen, wurden die Betriebsparameter angepasst. Der Detektor wird mit einer Sequenz gesteuert, welche die Länge und Abfolge der einzelnen Ausleseschritte bestimmten. Diese wurde modifiziert, um die Expositionszeit des Detektors zu steuern und die Auslese, unter anderem um eine konstante Belichtung aller Pixel zu ermöglichen. Nachdem ein weiterer Detektor aufgebaut und in das Setup integriert wurde, mussten Fehler identifiziert und behoben werden. Im Zuge dessen, wurden Bauteile für zukünftige Anpassungen des Setups mit den Technickern vom HEPHY geplant und erstellt. Der Betrieb des Detektors ermöglichte die Aufnahme von Messreihen unter verschiedenen Bedingungen - wie Temperatur und Belichtungszeit - die schlussendlich ausgewertet und analysiert wurden. Die Auswertung ergab eine Generationsrate von 0,02 Elektronen pro Sekunde und Pixel bei einer Temperatur von 110 K. Für Temperaturen unterhalb von 110K müssen die Messmethoden und der Betrieb des Detektors angepasst werden, damit die Identifikation von Ereignissen weiterhin zuverlässig funktioniert.
Abstract
(Englisch)
Within the last decades, the search for dark matter largely focused on weakly interacting massive particles (WIMPs), or dark matter candidates with a mass greater than a proton or heavier than 1 GeV/c². This approach was mainly motivated by the Lee-Weinberg bound for weak interacting particles as well as potential synergies with super-symmetric models. Due to the lack of discoveries of such particles combined with the increasing size of the excluded parameter space by direct dark matter detection experiments, models of light dark matter increasingly gained importance. Usingrepetitive non- destructive readout (RNDR) depleted p-channel field effect transistors (DePFETs), the DANAE experiment aims to detect light dark matter. Due to their light masses, the scattering process on atomic nuclei will not result in a measurable signal and the interaction between dark matter candidates and electrons needs to be studied. The specific properties of RNDR DePFETs, such as a thick fully depleted silicon bulk, a low dark current and the capability to resolve the signal of single electrons made it an ideal option for this application. In DePFET detectors, a great number of pixels can be read out in parallel. The noise is reduced by repeatedly and non-destructively reading out individual pixels. This master thesis aims to improve the sensitivity of the experiment and analyse data. The experimental setup was optimized to improve the operation. The detector is controlled by a sequence that determines the duration of the readout steps. This sequence was modified to change the exposure of the detector to achieve a constant exposure time for all pixels. After assembling and installing a new detector, several errors were identified and corrected. The differences in the operation between both detectors were analysed. Additionally, components for future configurations were developed and built together with technicians of the HEPHY. A measurement series with varying temperature and exposure times was performed to acqurie data and analyse them with specific software packages. The analysis resulted in the determination of a generation rate of 0.02 electrons per unit time and pixel at a temperature of 110 K.For temperatures below 110 K, the operation of the detector needs to be adjusted to ensure a proper event identification.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
leichte Dunkle Materie DePFET direkte Messung
Schlagwörter
(Englisch)
light dark Matter DePFET direkt detection
Autor*innen
Niels Frederik Tim Wernicke
Haupttitel (Englisch)
Light dark matter detection using repetitive non-destructive readout DePFETs
Paralleltitel (Deutsch)
Detektion leichter dunkler Materie mit Hilfe von zerstörungsfreien wiederholten auslesen mit DePFETs
Publikationsjahr
2024
Umfangsangabe
iv, 61 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Wolfgang Waltenberger
Klassifikation
33 Physik > 33.50 Physik der Elementarteilchen und Felder. Allgemeines
AC Nummer
AC17217139
Utheses ID
71557
Studienkennzahl
UA | 066 | 876 | |