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Herbstschule für Hochenergiephysik, Maria Laach, 13.Sept.2010 Béla Majorovits
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1. Vorlesung: Dunkle Materie - Evidenzen und Detektionsprinzipien
2. Vorlesung: Neutrinos im Standardmodell
3. Vorlesung: Dunkle Materie - Experimente
4. Vorlesung: Suche nach dem neutrinolosen Doppelbetazerfall
Béla Majorovits, MPI für Physik, München
Herbstschule für Hochenergiephysik, Maria Laach, 13.Sept.2010 Béla Majorovits
2Béla Majorovits, MPI für Physik, München
3. Experimente zur Suche nach Dunkler Materie
1. Experimentelle Herausforderungen von Ultra-low background Experimenten
2. Experimente zur direkten Detektion: DAMA: Suche nach dem ModulationssignalCRESST: Phononen und SzintillationCDMS: Phononen und IonisationCoGeNT: Ionisation mit sehr niedriger
EnergieschwelleXenon: Ionisation und Licht
3. Experimente zur indirekten Detektion:HEATPamelaIce Cube
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Untergrundquelle MassnahmeGamma-Strahlung ausnatürlicher Radioaktivität ausder Umgebung. Anthropogene
Passive AbschirmungAuswahl des Labors
Radioaktive Verunreinigung des Detektors
Material-selektion and -behandlung
Kosmische Strahlung und Sekundärprodukte
Aufstellung unter-iridisch, Vermeidungschwerer Isotope
Langlebige kosmogene Isotope im Detektor und in derAbschirmung
Unterirdische Pro-duktion und Lagerung
Oberflächenverunreinigung des Detektors und der Abschirmung
Reinraum,Ober-flächenbehandlung
Radonemanation aus Materialienin der Umgebung des Detektors
MaterialselektionRadonreduktion
Experimenteller Ansatz: das Untergrundproblem
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Cosmic ray particle
Stable mother nucleus
Long lived unstable spallationproducts
Untergrundquelle MassnahmeGamma-Strahlung ausnatürlicher Radioaktivität ausder Umgebung. Anthropogene
Passive AbschirmungAuswahl des Labors
Radioaktive Verunreinigung des Detektors
Material-selektion and -behandlung
Kosmische Strahlung und Sekundärprodukte
Aufstellung unter-iridisch, Vermeidungschwerer Isotope
Langlebige kosmogene Isotope im Detektor und in derAbschirmung
Unterirdische Pro-duktion und Lagerung
Oberflächenverunreinigung des Detektors und der Abschirmung
Reinraum,Ober-flächenbehandlung
Radonemanation aus Materialienin der Umgebung des Detektors
MaterialselektionRadonreduktion
Experimenteller Ansatz: das Untergrundproblem
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Untergrundquelle MassnahmeGamma-Strahlung ausnatürlicher Radioaktivität ausder Umgebung. Anthropogene
Passive AbschirmungAuswahl des Labors
Radioaktive Verunreinigung des Detektors
Material-selektion and -behandlung
Kosmische Strahlung und Sekundärprodukte
Aufstellung unter-iridisch, Vermeidungschwerer Isotope
Langlebige kosmogene Isotope im Detektor und in derAbschirmung
Unterirdische Pro-duktion und Lagerung
Oberflächenverunreinigung des Detektors und der Abschirmung
Reinraum,Ober-flächenbehandlung
Radonemanation aus Materialienin der Umgebung des Detektors
MaterialselektionRadonreduktion
Experimenteller Ansatz: das Untergrundproblem
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• Radioaktivität: β+γ Untergrund resultierend aus Verunreinigungen der Materialien in direkter Umgebung und aus internen Verunreinigungen und Oberfläche des Detektors: ~100 Events/(kg day)
• Neutronen aus Felsen des Untergrundlabors (LNGS) ~ 1 Events/(kg day)
• Myonen-induzierte Ereignisse (Pb/Cu Schild): ~0.01 Events/(kg day)
→Niedrige Energieschwelle→Gute Unterscheidung zwischen
β+γ und KernrückstoβEreignissen
→Abschrimung gegen Neutronen→Myuonen-veto→Radonschild→Stringente Materialselektion
Typische Untergrundkomponenten
Erwartete WIMP Rate:< 0.1 Events/(kg day)
Low-Background Experimente werden (im Normalfall) in tiefen Untergrundlaboratorien aufgebaut (>1000 mwe) Myonische
Komponente um viele Gröβenordnungne unterdrückt.
Für WIMPS: Die meisten Ereignisse knapp überhalb der Energieschwelle,
genau wie β+γ Untergrund.
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Pb Schild gegen externe Gammas
Inneres Gamma Schild aus hoch-reinem Cu oder archäologischem Pb
Detektor (hier HPGe) in low bkg. Vakuumcryostat
Kaltfinger zur Kühlung
LN Dewar für Kältebad
Rn-dichte N2-gespülte Umgebung
Bevorzugte Materialien in direkterDetektorumgebung: E-Kupfer, Teflon. Alle verwendeten Teile in der Nähe dsDetektors müssen auf Reinheitüberprüft sein!
Ultra Low Background Experimente
Neutronenschild: (B-gedopetes) PE
µ-Seto: Szintillatorplatten & PMTs
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Direkte Detektion von Dunkler Materie:Die Aufteilung der Energie in die beobachtbaren Kanäle Phononen,
Ionisation und Szintillation ist abhängig vom Teilchen
Ionisation
Phononen Szin
tilla
tion
{
CoGeNT, Texono
Edelw
eiss,
CDMS
CuorecinoCRESST, Rosebud
DAMA,
UKDM
XENON,
WARP
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Dunkle Materie Experimente - direkte Detektion
Ionisation
Phononen Szin
tilla
tion
{
CoGeNT, Texono
Edelw
eiss,
CDMS
CuorecinoCRESST, Rosebud
DAMA,
UKDM
XENON,
WARP
DAMA – Nachweis von Szintillationssignal in NaI Detektoren. Suche nach Modulationssignal
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Dunkle Materie Experimente - direkte Detektion
NaI-Kristalle2 PMTs per detector
Gamma- Abschirmung
DAMA/LIBRA – Aufbau des Experiments
Bleischild
Kupferschild
Experimentierraum wird mit sauberemStickstoff geflutet, um Radon zu verdrängen
6 Jahre Messzeit: Sept. 2003 – Sept. 2009
Exposure: 425.42 t×day = 1.17 ton×yr
242.5 kg NaI in Form von Kristallen
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Dunkle Materie Experimente - direkte Detektion
Zeitabhängige Zählrate (Modulation):S = S0 + Sm cos ω(ti-t0)
DAMA/LIBRA – Ergebnisse
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DAMA/LIBRA (6 years)experimentalenergy threshold
Dunkle Materie Experimente - direkte DetektionDAMA/LIBRA – Ergebnisse
Modulationssignalverschwindet für Energien> 6keV und mehrfachkoinzidente Ereignisse bisherkeine konsistente Erklärungfür Modulationssignal
Evidenz für WIMP?
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Dunkle Materie Experimente - direkte DetektionDAMA/LIBRA – Ergebnisse
Das Modulationssignal von DAMA wird seit 1997 kontrovers diskutiert, konntebisher aber nicht schlüssigwiderlegt werden.Lediglich bestimmte WIMP-Modelle konnten als Erklärungausgeschlossen werden.
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Dunkle Materie Experimente - direkte Detektion
Ionisation
Phononen Szin
tilla
tion
{
CoGeNT, Texono
Edelw
eiss,
CDMS
CuorecinoCRESST,Rosebud
DAMA,
UKDM
XENON,
WARP
CRESST – gleichzeitiger Nachweis von Phononen und Szintillation
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300g szintillierender
Kristall
W sensor
Licht Detektor W sensor
SzintillierenderLicht Reflektor
•Identifikation von Kernrückstöβen möglich•Konzept funktioniert für viele verschiedene Targetkristalle
Materialsignatur: Neutronen- und WIMP-Spektren verändern Ihre Form beiWechsel des Targetmaterials unterschiedlich.
β+γ
α
OW
Dunkle Materie Experimente - direkte DetektionCRESST – gleichzeitiger Nachweis von Phononen und Szintillation
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Für kohärente WIMP-Kern Wechselwirkung:
σ0 A2
Ca
W
Dunkle Materie Experimente - direkte DetektionCRESST – Rückstöβe an verschiedenen Kernen des Targetmaterials
Neutronen mit En>12 keV wechselwirken gröβtenteils mit Sauerstoff
Energiespektren von Wechselwirkungen der Neutronenan den verschiendenen Elementen
im Kristall
Schwere WIMPs(MWIMP > 20GeV) wechselwirken mithöchsterWahrscheinlichkeitmit dem W-Kern.
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Dunkle Materie Experimente - direkte DetektionCRESST – Rückstöβe an verschiedenen Kernen des Targetmaterials
Leichte WIMPs übertragen weniger Energie an W-Kern alsschwere WIMPs der gleichen Energie.
Bei festgehaltenemEnergiefenster (10keV – 40keV) ändert sich die Zusammensetzung derRüchstoβereignisse.
Leichte WIMPs: imSauerstoffband zu sehen
Schwere WIMPs: im W-Band
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Kältebad
ThermischeKopplung
Thermometer(W-film)
AbsorberKristall
Vorteile der CRESST Technologie:
Messung der Energie (fast) unabhängigvon Teilchen
Sehr niedrige Energieschwelle, sehr gute Energieauflösung
Es können viele verschiedeneTargetmaterialien verwendet werden.
Res
ista
nce
[mΩ
]normal-leitend
supra-leitend
δT
δRSQUID basierte Auslese
Breite des Übergangs: ~1mK,
keV Signal: einige μKLangzeit Stabilität: ~ μK
Dunkle Materie Experimente - direkte DetektionCRESST – Detektionsprinzip
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Der Phononendetektor:
(8x6)mm2 W-TES auf 300g zylindrischen CaWO4Kristall h=40mm, Ø=40mm
Der Lichtdetektor:Ø=40 mm Silikon auf Sapphire wafer.
W-Thermometer mitAluminium Phononen-kollektoren und thermischer Kopplung. Part of thermal link usedas heater
Dunkle Materie Experimente - direkte DetektionCRESST – Detektoren
ZintillierendeReflektionsfolie
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Dunkle Materie Experimente - direkte DetektionCRESST – Aufbau am LNGS Untergrundlabor
Cu und Pb Schirm
PE Schirm gegen Neutronen
Szintillatorplatten als Myonenveto
Detektoren in Vakuumkammer
Thermische Kopplung an Mischkammer
Mischkammer (Kältebad)
LHe-Kryostat
LN-Kryostat
Schienen zum Bewegen der Abschirmung
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γ + βBand
O-recoil-Band
Bänder können aus bekannterEnergieuflösung des Lichtdetektorsund Quenchingfaktoren berechnet
werden.
Dunkle Materie Experimente - direkte DetektionCRESST – Aktuelle Datennahme
• Experiment nimmt Daten seit Sommer 2009• 10 voll funktionierende Detktoren (1 ZnWO4)• Klammern sind NICHT szintillierend (Untergrund) • Datenanalyse nicht abgeschlossen• Vorgestellte Daten stammen von 9 CaWO4
Detektoren (ca. 400 kg d)
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γ + β band
α band
O-recoil-band
W-recoil-band
α
Kristall
206Pb
206Pb
α
Feder ist nicht szintillierend
210Po 206Pb (104 keV) + α (5.4 Me)
Dunkle Materie Experimente - direkte DetektionCRESST – Aktuelle Datennahme
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Dunkle Materie Experimente - direkte DetektionCRESST – gleichzeitiger Nachweis von Phononen und Szintillation
Erwarteter Untergrund:Neutronen 0.9 Alpha’s aus 210Po Zerfall: 6.9Gamma band Überschneidung: 0.9
Erwartung im O-Band, gesamt: 8.7
Beobachtete O-Rückstoβereignisse: 32
Untergrunderwartung von (8.7 ± 1.4) Ereignissen ist nichtkonsistent mit der Messung von 32 Ereignissen
Könnte als Hinweis auf ein leichtes WIMP mit MWIMP<15 GeV und σ0 ca, 10-5pb interpretiert werden
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Dunkle Materie Experimente - direkte Detektion
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Dunkle Materie Experimente - direkte Detektion
Ionisation
Phononen Szin
tilla
tion
{
CoGeNT, Texono
Edelw
eiss,
CDMS
CuorecinoCRESST, Rosebud
DAMA,
UKDM
XENON,
WARP
CRESST – Nachweis von Phononen und Szintillation in
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Phononenauslese ähnlich wie bei CRESSTIonisationsauslese: Verwendung von Halbleiterdetektoren
Two detector towers HPGe Detector moduleCDMS cryostat
Dunkle Materie Experimente - direkte DetektionCDMS – Detektion von Ionisation und Phononen
Betriebstemperatur: 50mKDurchmesser: 76mmHöhe: 10mmDatennahme: Juli 2007 – Sept. 2008Verwendete Datenmenge: 612 kg-Tage (HPGe)
19 HPGe Detktoren: WIMP Messung
11 Si Detktoren: Neutronen Kalibration
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• 0 keV < Erec < 100 keV• Energie Im Rüchstoβband• Energieeintrag NUR in einem
Detektor• Kein Oberflächenereignis
Zwei Ereignisse imSignalbereich!
Bedingungen, die WIMP Kandidaten erfüllen müssen:
Dunkle Materie Experimente - direkte DetektionCDMS – Detektion von Ionisation und Phononen
Untergrunderwartung: (0.9±0.2) Ereignisse
2 gemessene Ereignissesind mit Untergrundverträglich
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Dunkle Materie Experimente - direkte DetektionCDMS – Detektion von Ionisation und Phononen
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Dunkle Materie Experimente - direkte DetektionCDMS – Detektion von Ionisation und Phononen
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Dunkle Materie Experimente - direkte Detektion
Ionisation
Phononen Szin
tilla
tion
{
CoGeNT,Texono
Edelw
eiss,
CDMS
CuorecinoCRESST,Rosebud
DAMA,
UKDM
XENON,
WARP
CRESST – Nachweis von Phononen und Szintillation in
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Entwicklung von HPGe Detektoren und JFETs mit sehrgeringer Kapazität (wenige pF) Verbesserung der
Energieauflösung und der Energieschwelle
Dunkle Materie Experimente - direkte DetektionCoGeNT – Nachweis von Ionisation mit sehr niedriger
Energieschwelle
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Energy [keV]
Cou
nts/
(kev
kg d
ay)
Dunkle Materie Experimente - direkte DetektionCoGeNT – Nachweis von Ionisation mit sehr niedriger
Energieschwelle
Entwicklung von HPGe Detektoren und JFETs mit sehrgeringer Kapazität (wenige pF) Verbesserung der
Energieauflösung und der Energieschwelle
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33arXiv:1002.4703
Dunkle Materie Experimente - direkte DetektionCoGeNT – Nachweis von Ionisation mit sehr niedriger
Energieschwelle
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Sehr niedrige Energieschwelle:Gute Sensitivität auf leichte WIMPs
Mit Energieschwelle um 0.1keV: nachweis kohärenter Neutrinostreuung möglich!
Dunkle Materie Experimente - direkte DetektionCoGeNT – Nachweis von Ionisation mit sehr niedriger
Energieschwelle
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Dunkle Materie Experimente - direkte Detektion
Ionisation
Phononen Szin
tilla
tion
{
CoGeNT, Texono
Edelw
eiss,
CDMS
CuorecinoCRESST,Rosebud
DAMA,
UKDM
XENON,
WARP
XENON – Nachweis von Ionisation und Szintillation in tiefkaltem Edelgas
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XENON – Nachweis von Ionisation und Szintillation in tiefkaltem Edelgas
Dunkle Materie Experimente - direkte Detektion
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XENON – Nachweis von Ionisation und Szintillation in tiefkaltem Edelgas
Dunkle Materie Experimente - direkte Detektion
Primäres Signal: Szintillation – dirketer Nachweis in PMTs
Sekundäres Signal: Ionisation – Drift der Elektronen in Gasphase, Nachweis über Szintillation des Gases mit PMTs
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XENON – Nachweis von Ionisation und Szintillation in tiefkaltem Edelgas
Dunkle Materie Experimente - direkte Detektion
Diese Annahme verbessert Sensitivität auf leichte WIMPs erheblich.Laut arxiv: unphysikalisch!
Öffentlicher Siput zwischen J. Collar und Xenon Kollaboration auf arXiv.
Energieabhängigkeit des Quenching-Faktors. Unterhalb 4keV keine
Messungen!
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XENON – Nachweis von Ionisation und Szintillation in tiefkaltem Edelgas
Dunkle Materie Experimente - direkte Detektion
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XENON – Nachweis von Ionisation und Szintillation in tiefkaltem Edelgas
Dunkle Materie Experimente - direkte Detektion
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XENON – Nachweis von Ionisation und Szintillation in tiefkaltem Edelgas
Dunkle Materie Experimente - direkte Detektion
CRESST
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Dunkle Materie Experimente - direkte DetektionLow Mass WIMP Kandidat CoGeNT, CRESST, DAMA
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Dunkle Materie Experimente - indirekte Detektion
Experimente zur indirekten Detektion von Dunkler Matrie suchennach Überschuβ im Signal der denkbaren Quellen (Galaxien, Sonne, Erde) verschiedener Kanäle. Meist keine dediziertenExperimente.
1. Positronen2. Antiprotonen bzw. Deuteronen3. Gammastrahlung4. Hochenergetische Neutrinos
}}
Staelliten-, BallonexperimenteErdgebundeneExperimente
• Erzeugung (abhängig vom DM-kandidaten)• Propagation der Teilchenim (Inter)galaktischen
Medium• Dunkle Materie-Dichten• Untergrundstrahlung aus bekannten galaktischen
Quellen (Pulsare, etc.)
Unsicherheiten in der Interpretation der Datensind groβ:
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Dunkle Materie Experimente - indirekte DetektionBeispiel eines Ballon gebundenen Experiments: HEAT
High Energy Antimatter Telescope
• Flugzeitmessung: Szintillator am Eingangsbereich, Richtungssensitivität
• Durchgangsstrahlungsdetektor: Xe-Proportionalzählkammern und Szintillationsphasern:Unterscheidung zwischen e+ und p
• Magnetisches Teilchenspektrometer: 26 Lagen von Driftkammern in starkemMagnetfeld:Ladungsvorzeichen und Impuls
• Elektromagnetisches Kalorimeter:10 Schichten Pb und Szintillatoren:Energiemessung e+ e-, Ende derFlugzeitmessung
Prinizipiell: Teilchenidentifikation und Energiemessung nötig!
Ankunftsrichtung der Teilchen
NIM A 400(1997)34
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Dunkle Materie Experimente - indirekte Detektion
Resultate des Satelliten gebundenen Experiments PAMELA
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Dunkle Materie Experimente - indirekte Detektion
PAMELA und HEAT Experimente messen unerklärtenÜberschuβ an Positronen mit Ee+>10 GeV
Resultate der Experimentes auf der Suche nach Positronen
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Dunkle Materie Experimente - indirekte DetektionResultate der Experimentes auf der Suche nach Positronen
Daten wären Konsistent mit WIMP MWIMP = 132 GeVNicht konsistent mit CoGeNT, CRESST und DAMA
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Dunkle Materie Experimente - indirekte DetektionResultate der Experimentes auf der Suche nach Positronen
Daten sind aber auch konsistent mit einigen Pulsar Modellen
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Dunkle Materie Experimente - indirekte DetektionErdgebundene Experimente: Suche nach hochenergetischen Neutrinos
Bei der Annihilation von WIMPs könnte (je nach Modell) aucheine signifikante Anzahl von hochenergetischen Neutrinos
entstehen
Nachweis durch Sekundärprodukte nach Neutrino-Kern Wechselwirkung νl + N l + X
Xθ
µνµ
N
Θ ~1.5o/Eν1/2
Rekonstruktion derAnkunftsrichtung
Nachweis des Myons durch Messung des Čerenkovlichtes.Sehr seltene Ereignisse Riesiges Detektorvolumen:
Neutrinoteleskope in Wasser und Eis
ICE Cube, Antares, Nestor, Baikal
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Dunkle Materie Experimente - indirekte DetektionErdgebundene Experimente: Suche nach hochenergetischen Neutrinos
4800 optische Module an 86 Strings. Installation soll bis Januar 2011 abgeschlossen sein
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Dunkle Materie Experimente - indirekte DetektionErdgebundene Experimente: Suche nach hochenergetischen Neutrinos
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Dunkle Materie Experimente - indirekte DetektionErdgebundene Experimente: Suche nach hochenergetischen Neutrinos
arXiv:0910.4480
Erste Ergebnisse zur DM Suche mit 22 installierten Strings antarktischer Winter 2007, 104.3 Tage Messzeit:
Limits of Kaluza-Klein Teilchen
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arXiv:0910.4480
Dunkle Materie Experimente - indirekte DetektionErdgebundene Experimente: Suche nach hochenergetischen Neutrinos
Erste Ergebnisse zur DM Suche mit 22 installierten Strings antarktischer Winter 2007, 104.3 Tage Messzeit:
Limits of Kaluza-Klein Teilchen