Search for Dark Matter and other beyond the Standard Model physics with XENON1T and XENONnT

Trotz zahlreicher Hinweise darauf, dass der Großteil der Materie im Universum aus der schwer fassbaren Dunklen Materie besteht, bleibt ihre Natur ein Rätsel und stellt eines der Hauptthemen der modernen Teilchenphysik dar. Das XENON Dark Matter (dunkle Materie) Projekt beabsichtigt den direkten Nachweis der hypothetischen Dunklen Materie Teilchen mit Ihren immer empfindlicheren Detektoren zu erbringen. Hierfür nutzt es die Vorteile der Technologie der Zwei-Phasen-Xenon-Zeitprojektionskammer (TPC) mit Hilfe derer kontinuierlich größere Detektormassen und dabei abnehmende experimentelle Untergründe erreicht werden. Mit dem XENON1T-Experiment wurden die strengsten Obergrenzen für Interaktionen von schwach wechselwirkenden massiven Teilchen (WIMP) mit Materie für eine Vielzahl von Wechselwirkungstypen und WIMP-Massen festgelegt, die zum Teil bis heute bestehen. Der beispiellos niedrige Untergrund an Elektron-Rückstößen in XENON1T ermöglichte zahlreiche konkurrenzfähige Suchen nach Physik jenseits des Standardmodells, abseits der Suche nach WIMPs. Bei den niedrigsten Elektron-Rückstoßenergien nahe der Detektionsgrenze wurde ein Überschuss an Ereignissen gegenüber den bekannten Untergründen beobachtet, was die Aufmerksamkeit von Physikern auf der ganzen Welt erregte. Der Ursprung dieses Überschusses an Ereignissen konnte jedoch nicht geklärt werden. In dieser Arbeit wird untersucht ob der Überschuss an Elektron-Rückstößen auf inelastische Streuung von Dunkler Materie an Elektronen in der Xenon Detektromasse zurückzuführen ist. Es werden Sensitivitätsstudien für die XENON-Experimente bezüglich eines konkreten theoretischen Modells durchgeführt welches die inelastische exotherme Streuung von dunkler Materie beschreibt. Diese dunklen Teilchen wechselwirken mit der sichtbaren Materie über Eichwechselwirkungen unter Beteiligung dunkler Photonen. Es wird gezeigt, dass die vorhergesagte jährliche Modulation der Elektron-Rückstoßrate und des Energiespektrums ein zusätzliches Werkzeug zur Unterscheidung zwischen verschiedenen theoretischen Modellen und zur Eingrenzung der Eigenschaften der Teilchennatur der Dunklen Materie darstellt. Das XENON1T Experiment könnte unter der Annahme der Detektion eines Überschusses an Ereignissen die Teilchenmasse der Dunklen Materie mit einer Genauigkeit von ~1 GeV über die Lebensdauer des Experiments zu bestimmen. Darüber hinaus wurde ein vereinfachtes Modell für die Beschreibung der energie- und zeitabhängigen Modulationen entwickelt. Frühere Analysen des Überschusses an Ereignissen von XENON1T wurden nur an Hand der Energie der Elektron-Rückstößen durchgeführt, wobei die Zeitinformationen vernachlässigt wurden. In dieser Arbeit wird eine erneute Analyse der Elektron-Rückstößen von XENON1T mit Schwerpunkt auf der Zeitinformation beschrieben. Diese Analyse führt zu verschiedenen Verbesserungen gegenüber der vorherigen Veröffentlichung. Die statistische Analyse wurde zum ersten Mal als Funktion der Rückstoßenergie und Zeit der Ereignisses durchgeführt, was ein tiefes Verständnis der Untergrundbeiträge zeigt. Die Zeitsignatur des Ereignisüberschusses wird hinsichtlich mehrerer Hypothesen getestet, darunter eine mögliche 3H-Komponente. Das XENONnT-Experiment wurde als schnelles Upgrade von XENON1T konzipiert und zeichnet sich durch eine noch größere TPC sowie eine ca. 5 Mal niedrigere Detektoruntergrundrate aus. Die dabei verringerte Materialuntergrundrate wurde durch eine sorgfältige Materialauswahl und -reduzierung erreicht. Die Dicke der PTFE-Detektorwand wurde hinsichtlich ihrer Lichtdichtigkeit und Massenreduzierung optimiert. Messungen der Lichtdurchlässigkeit bei Xenon-Szintillationslicht-Wellenlängen bestimmen eine optimalen Wandstärke von 3mm. Es wird gezeigt, dass das Modell von Kubelka und Munk zur Beschreibung der Lichtdurchlässigkeit für alle PTFE-Dicken geeignet ist. Optische Simulationen von Teilchendetektoren sind entscheidend für deren Entwicklung und Datenanalyse. In dieser Arbeit wird die Entwicklung der optische Simulationen für das XENONnT Experiment beschrieben. Diese wurde unter anderem für die Empfindlichkeitsvorhersagen für die Suche nach dunkler Materie vor der Inbetriebnahme des Experiments verwendet. Die Ergebnisse dieser Arbeit sind auch wesentlicher Bestandteil für die Positionsrekonstruktion, Detektorreaktionsmodelle und die Auswahl der Datenqualität während der ersten Messphase des Experiments. Des weiteren werden optische Simulationstechniken für die Erzeugung von S2-Signalen und eine detaillierte Beschreibung der Photosensoreffizienz vorgestellt. Der Autor dieser Arbeit war verantwortlich für die detector characterization-Analysegruppe, welches die Arbeit an der Positionsrekonstruktion, den Signalkorrekturen und der Auswahl der Ereignisse beinhaltet. Diese Ergebnisse sind Teil der ersten XENONnT Analyse elektronischer Rückstöße, welche einen Überschusses an Ereignissen ausschließt und neue Grenzen für verschiedene Suchen jenseits des Standardmodells setzt. Darüber hinaus wurde eine Blindanalyse der Kernrückstoßereignisse durchgeführt. Hierbei wurde kein signifikanter Überschuss an Ereignissen festgestellt, so dass Obergrenzen für spinunabhängige WIMP-Nukleon-Wechselwirkungen mit einer minimalen Obergrenze von 2.58 × 10−47 cm2 für WIMP-Massen von 28 GeV/c2 bei einem Vertrauensniveau von 90% festgelegt wurden.