DANAE (Direct dArk matter search using DEPFET with repetitive-Non-destructive-readout Application Experiment) ist ein - sich im Aufbau befindendes - Experiment zur direkten Suche nach dunkler Materie. Das DANAE Experiment wurde mit dem HLL (Halbleiterlabor der Max-Planck Gesellschaft) entwickelt und nutzt spezielle, rauscharme Siliziumdetektoren, welche einzelne Elektronen messen können und damit den Streuprozess zwischen möglichen dunkle Materie Teilchen und Elektronen im Valenzband des Halbleiters untersuchen können.

Ein RNDR-DePFET Pixel besteht aus zwei Sub-pixel, oder zwei Auslesekonten (internal gates). Die Signalladung wird zwischen den zwei Konten transferiert, um eine mehrfache Auslese zu ermöglichen. Nach der Auslese wird die Ladung durch die Clear Kontakte entfernt.

Die Aufgabe des DANAE Experiments ist die direkte Suche nach dunkler Materie (DM), deren Teilchenmasse unterhalb eines GeV/c2 liegt. Diese sogenannte leichte dunkle Materie erlangte in den letzten Jahren besondere Aufmerksamkeit, sowohl aufgrund zahlreicher Indizien aus Modellrechnungen der theoretischen Physik als auch als Folge des experimentellen Ausschlusses von massenreicheren Regionen. Zu diesem Zweck werden im DANAE Experiment spezielle Siliziumdetektoren - DePFET (Deep p-channel Field Effect Transistor) mit Mehrfachauslese (RNDR, Repetitive Non Destructive Readout) - eingesetzt. Innerhalb eines RNDR-DePFET Pixels wird die Signalladung zwischen zwei Ausleseknoten so oft verschoben und ausgelesen, bis ein Rauschen unterhalb von 0.2 Elektronen (e-ENC, Equivalent Noise Charge) erreicht wird und einzelne Elektronen mit einer Sicherheit von 5 Standardabweichungen nachgewiesen werden können. Um Hintergrund Ereignisse filtern zu können, weisen diese Sensoren mehrere 1000 solcher Pixel auf, sowie eine Auslesegeschwindigkeit unterhalb von 5 ms/Pixel.

Im Unterschied zu den etablierten DM Experimenten untersucht das DANAE Experiment den Streuprozess von DM Teilchen an Elektronen anstelle der Streuung an Atomkernen. Da eine wesentlich geringere Energie notwendig ist, um ein Elektron in einen angeregten Zustand zu versetzten wird dadurch eine höhere Empfindlichkeit für geringe Massen erreicht. Aufgrund von astronomischen Beobachtungen ist die Dichte der dunklen Materie in unserem Sonnensystem bekannt und DM Teilchen mit geringerer Masse sind dementsprechend häufiger anzutreffen. Dies hat zur Folge, dass bereits wenige kg sensitiven Materials ausreichen, um unbekannte Masseregionen wissenschaflich zu erschließen.

Das DANAE Projekt befindet sich momentan im Stadium der Technologieentwicklung und Skalierung. Mittels eines ersten Prototyp Detektors mit 64x64 Pixel wurde das Arbeitsprinzip erfolgreich demonstriert. In Folge sind eine Optimierung der Technologie und eine Untersuchung und Minimierung des Hintergrundes ausständig, bevor die sensitive Masse erhöht wird und wissenschaftliche Daten genommen werden.

Das Projekt wird in Zusammenarbeit mit dem Halbleiterlabor der Max-Planck-Gesellschaft (HLL) sowie der Luft- und Raumfahrt Abteilung der Fachhochschule Wiener Neustadt (FHWN) durchgeführt.

Referenzen:

Bähr, A., Kluck, H., Ninkovic, J. et al. "DEPFET detectors for direct detection of MeV Dark Matter particles". Eur. Phys. J. C77, 905 (2017). https://doi.org/10.1140/epjc/s10052-017-5474-5

Kluck, H., Bähr, A., Ninkovic, J. et al. "DANAE: A new effort to directly search for dark matter with DEPFET-RNDR detectors" NIMA, Volumen 958 (2020), https://doi.org/10.1016/j.nima.2019.04.109