Search for solar chameleons with an InGrid based X-ray detector at the CAST experiment

Abstract

Chameleons are particles with a density dependent effective mass and couplings to matter as well as photons. They are introduced in modifications to General Relativity involving scalar fields and aiming at explaining Dark Energy, which is needed for the observed self-accelerated expansion of the universe. Chameleons can be produced in the tachocline region of the Sun. On Earth these solar chameleons can be detected by axion helioscopes such as the CERN Axion Solar Telescope (CAST) where they are converted into low energy X-ray photons inside a strong magnet pointed towards the Sun. Due to weak couplings corresponding to a very low number of expected signal events, X-ray detectors with low background rates and high efficiency are required. In this thesis an X-ray detector based on the GridPix technology, a pixelized readout combined with an integrated gas amplification stage, was developed and built. This detector, which features a low energy threshold and allows for an eventshape based background suppression, was characterized at a variable X-ray generator and afterwards commissioned at CAST behind an X-ray telescope. From the data taken at CAST in 2014 and 2015 with this detector an improved upper bound on the chameleon photon coupling was derived.

Chamäleons sind Teilchen deren effektive Masse dichteabhängig ist und die an Materie sowie Photonen koppeln. Sie sind Teil von Modifikationen der Allgemeinen Relativitätstheorie, die skalare Felder beinhalten und Dunkle Energie erklären sollen, welche für die beobachtete, sich beschleunigende Expansion des Universums benötigt wird. Chamäleons können in der Tachocline der Sonne produziert werden. Diese solaren Chamäleons können auf der Erde mit Axion Helioskopen, wie dem CERN Axion Solar Telescope (CAST), nachgewiesen werden in dem sie in einem starken, auf die Sonne gerichteten Magneten in niederenergetische Röntgenphotonen umgewandelt werden. Aufgrund der schwachen Kopplungen und entsprechend niedrigen Anzahl an erwarteten Ereignissen, benötigt man dazu hocheffiziente Röntgendetektoren mit niedrigen Untergrundraten. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Röntgendetektor entwickelt und gebaut, welcher auf der GridPix- Technologie, der Kombination einer pixelierten Auslese mit einer integrierten Gasverstärkungsstufe, basiert. Dieser Detektor besitzt eine niedrige Detektionsschwelle und erlaubt eine Untergrundunterdrückung basierend auf der Form der Ereignisse. Der Detektor wurde an einer variablen Röntgenquelle charakterisiert und anschließend bei CAST hinter einem Röntgenteleskop in Betrieb genommen. Mittels der Daten, welche mit diesem Detektor 2014 und 2015 bei CAST gesammelt wurden, konnte ein verbessertes oberes Limit für die Chamäleon-Photon-Kopplung bestimmt werden.