CRESST searches for WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles) as candidates for dark matter in the universe using low temperature detectors. The use of light-phonon detector in the second phase of CRESST, which enables discrimination between electron recoils and nuclear recoils, will leave neutron flux in Gran Sasso as the main background for the experiment. This neutron background will in turn limit the sensitivity of the experiment. The present work is devoted to study all possible sources of neutron background relevant for CRESST. To perform this task modifications of several Monte Carlo codes and developments of tools have been done, which enable calculation and simulation of neutron production from different sources, transport of these neutrons down to the detector level and finally produce the recoil spectra. It was found that already in the range of the present sensitivity of some 10-6 pb in the WIMP-proton scattering cross section one has to take neutron-induced background into consideration. CRESST II can not reach its goal without a neutron moderator. With 50 cm polyethylene as moderator low energy neutrons from the rock can be reduced by a factor of 1000, but then neutrons from other origins (especially neutrons produced by muons in the shields) start to dominate the background. Without muon veto the sensitivity of CRESST will be limited to be around 10-7 pb, hence the goal of CRESST II of some 10-8 pb would be endangered. But muon veto would bring a reduction factor of only three unless high energy neutrons from other sources can be overcome. It is expected that background induced by high energy neutrons produced by muons in the rock can be reduced, if multiple scattering is taken into account. This could be done in the future with the codes and tools used in this present work.
Übersetzte Kurzfassung:
CRESST sucht mit Hilfe von Tieftemperatur-Detektoren nach WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles) als Kandidaten für die Dunkle Materie im Universum. Für die zweite Phase von CRESST werden neue Detektoren verwendet, die eine deutliche Unterscheidung zwischen Elektron- und Kernrückstößen durch simultanes Messen von Phononen und Szintillationslicht ermöglichen. Jedoch induzieren auch Neutronen, so wie WIMPs, Kernrückstöße, weshalb der neutronenuntergrund nicht unterdrückt werden kann und so die Sensitivität des Experimentes begrenzen würde. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Anpassung und Erweiterung von Simulations-Programmen, die eine Analyse der verschiedene Neutronenquellen bezüglich der Erzeugung von Rückstoßsignalen in den Detektoren von CRESST erlauben. Die wesentlichen Quellen des Neutronenuntergrundes sollten damit untersucht werden. Zur Bestimmung des Neutronenuntergrundes wurde die Neutronenproduktion durch verschiedene Quellen simuliert oder abgeschätzt, danach diese Neutronen in Computersimulationen bis zu den Detektoren transportiert und die Erzeugung von Rückstoßsignalen untersucht. Es wurde festgestellt, dass schon im Bereich der heutigen Sensitivität von einigen 10-6 pb für den Wirkungsquerschnitt für spinunabhängige Wechselwirkung zwischen WIMP und Proton mit Neutronenuntergrund zu rechnen ist. Ohne Neutronenabschirmung könnte CRESST II seine Ziele daher nicht erreichen. Mit einer 50 cm dicken Schicht aus Polyethylen als Neutronenmoderator können niederenergetische Neutronen aus dem umgebendes Gestein bis zu einem Faktor 1000 unterdrückt werden. Es fangen dann aber Neutronen aus anderen Quellen (vor allem Neutronen, die durch Myonen in der Abschirmung erzeugt werden) an, den Untergrund zu dominieren. Die Sensitivität wäre auf etwa 10-7 pb begrenzt und würde die Ziele der zweiten Phase von CRESST von einigen 10-8 pb gefährden, weshalb auch ein Myon-Veto benötigt wird. Allerdings wird ein Myon-Veto nur wirksam, wenn die Neutronen aus den anderen Quellen beseitigt werden können. Es ist zu erwarten, dass der durch hochenergetische Neutronen im umgebenden Gestein induzierte Untergrund wird reduziert werden kann, wenn Mehrfachstreuung berücksichtigt wird. Auch dies sollte in Zukunft mit den in dieser Arbeit bereit gestellten Simulationswerkzeugen möglich sein.
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