|
Изучение взаимодействия темной материи и нуклонов
|
|
|
|
Эксперимент DarkSide — амбициозная исследовательская работа, направленная на обнаружение взаимодействия частиц темной материи в жидком аргоне с использованием двухфазного физического детектора, расположенного в подземной национальной лаборатории Гран-Сассо. Эти взаимодействия можно было бы наблюдать, минимизируя фоновые сигналы, и это стало возможным благодаря замечательной разрешающей способности сцинтилляционного импульса сжиженного аргона в детекторе DarkSide-50, который может отделить события отдачи ядер, связанные с этими взаимодействиями, из более чем 100 миллионов событий ядерной отдачи, связанных с этими взаимодействиями. события электронной отдачи, связанные с радиоактивным фоном. Большая группа исследователей, участвовавших в эксперименте DarkSide, недавно использовала детектор для поиска более легких частиц темной материи. Результаты нового поиска взаимодействий темной материи и нуклонов, опубликованные в Physical Review Letters, позволили им установить новые ограничения для темной материи на уровне менее ГэВ/c2.
|
|
|
|
«Эксперимент DarkSide-50 был задуман как проверка использования аргона из подземных источников, естественно обедненного радиоактивным 39Ar, для очень крупномасштабных поисков темной материи», — сказал Кристиано Гальбиати, научный сотрудник Принстонского университета и Научного института Гран-Сассо. рассказал Phys.org. «Примечательно видеть, как группа молодых исследователей в рамках сотрудничества смогла использовать аппарат для определения наилучшего предела для поиска темной материи, которые не входили в первоначальный масштаб эксперимента. Во всяком случае, изобретательность и решимость этой группе следует отдать должное за этот важный результат». Теоретические предсказания предполагают, что взаимодействия темной материи чрезвычайно редки, на несколько порядков реже, чем взаимодействия, вызванные радиоактивностью материалов в детекторах и в окружающей среде. Следовательно, для надежного поиска взаимодействий с темной материей исследователи должны иметь возможность подавлять эти смешанные сигналы окружающей среды, известные как радиоактивный фон.
|
|
|
Эксперимент DarkSide специально ищет взаимодействия темной материи с использованием благородной мишени, в частности, аргона, сжиженного при криогенных температурах, почти при 200 градусах Цельсия ниже нуля. Благородные жидкости являются идеальными мишенями для поиска редких физических явлений, поскольку они реагируют на взаимодействие частиц как испусканием света посредством процесса, известного как сцинтилляция, так и высвобождением зарядов посредством ионизации. «Двухфазные камеры временной проекции — это детекторы, способные измерять как сцинтилляционный свет, так и ионизационные заряды», — сказал Phys.org Паоло Агнес, исследователь из Научного института Гран-Сассо. «Основная масса мишени находится в жидком состоянии. Тонкий слой газа находится поверх жидкости. Детектор оснащен детекторами света, обычно чувствительными к одиночным фотонам. может реконструировать энергию взаимодействия».
|
|
|
|
С помощью электрического поля ионизационные электроны внутри детектора DarkSide дрейфуют к поверхности жидкого аргона. Это создает более сильное электрическое поле на поверхности жидкости, что позволяет извлекать и последующее ускорение этих электронов ионизации в газе. Эти ускоренные электроны генерируют вторую вспышку света, которая обычно состоит из сотен фотонов на каждый извлеченный электрон. «Благодаря объединению сигналов сцинтилляции и ионизации возможна реконструкция вершин событий с точностью лучше 1 см, что позволяет очень эффективно подавлять некоторые фоны, особенно те, которые исходят от поверхностей детектора», — пояснила Агнес. «Прерогативой жидкого аргона по отношению к другим жидкостям является очень мощное подавление фонов, наведенных бета- и гамма-радиоактивностью, которые можно подавить на девять порядков, используя форму сигнала мгновенных сцинтилляций. радиоактивности, DarkSide-50 использует специальную партию аргона, извлеченного из скважины CO2 в Колорадо, в 1000 раз менее радиоактивного, чем имеющийся в продаже аргон, извлеченный из атмосферы».
|
|
|
|
Детектор DarksSide-50 пять лет подряд эксплуатировался в подземной Национальной лаборатории Гран-Сассо в Италии. Данные, собранные за это время, затем были проанализированы исследователями, которые являются частью сотрудничества DarkSide для поиска взаимодействий с темной материей. В 2018 году коллаборация опубликовала результаты первого поиска темной материи без фона в их двухфазном детекторе на жидком аргоне. Сосредоточившись на аргоновых сцинтилляциях, они могут искать взаимодействия вимпов, вызывающие отдачу с энергией выше 40 кэВ, что соответствует массе вимпов более 20 ГэВ/c2. Недавно потенциал детектора был увеличен еще больше, что позволило команде искать гораздо более легкие частицы темной материи, используя только ионизацию аргона. Хотя ионизационный канал не так хорош, как сцинтилляционный канал для выделения значимых сигналов из радиоактивного фона, он снижает порог анализа собранных данных до субкэВного диапазона.
|
|
|
|
«Было приложено много усилий, чтобы точно охарактеризовать ионизационную реакцию как на электронные (фоновые), так и на ядерные (сигнальные) отдачи, малоизвестные в таком диапазоне низких энергий», — говорит Давид Франко, исследователь из Laboratoire Astropticule et Cosmologies CNRS. / Париж 7, сообщил Phys.org. «Работа, проделанная в этом направлении в 2021 году, позволила откалибровать детектор до нескольких десятков эВ], что является ключевым элементом для недавних результатов. Кроме того, эта работа расширяет потенциал 50-тонного LAr-детектора следующего поколения (DarkSide -20k) к обнаружению нейтрино сверхновых от коллапса ядра посредством когерентного упругого рассеяния на ядрах».
|
|
|
|
В одном из своих предыдущих исследований, опубликованном в журнале Physical Review D в марте 2023 года, исследователи DarkSide точно смоделировали все фоновые компоненты в превосходном соответствии с ожидаемыми показателями предыдущих усилий по скринингу материала детектора. В совокупности эти работы улучшили их общее понимание детектора, предоставив ценную информацию, которая послужила основой для создания DarkSide-20k, еще более совершенного детектора с целью в 1000 раз большей, чем у DarkSide-50. Одной из ключевых новинок недавнего поиска взаимодействий темной материи и нуклонов является то, что они впервые специально искали отдачу ядер, сопровождающуюся испусканием электронного компонента (то есть эффект Мигдала) в жидком аргоне. Хотя команда не обнаружила значимых взаимодействий, они смогли установить новые ограничения на слабо взаимодействующие массивные частицы (WIMP), снизив их массу до 40 МэВ/c2.
|
|
|
|
«Этот результат нарушил общепризнанную парадигму прямого поиска темной материи, для которой в диапазоне менее ГэВ/c2 доминирует чувствительность твердотельной технологии», — пояснил Франко. «В то же время он продемонстрировал потенциал нескольких десятков килограммов жидкого аргона в таком диапазоне, по сравнению с тонными детекторами жидкого ксенона. «лептофильные» частицы темной материи, то есть с электронными конечными состояниями». Недавняя работа коллаборации DarkSide представляет собой важную веху в продолжающихся поисках вимпов, поскольку это был первый прямой поиск стерильных нейтрино, интерпретируемых как возможные кандидаты в темную материю. В настоящее время Global Argon Dark Matter Collaboration строит DarkSide-20K, который станет самым совершенным детектором на сегодняшний день, который будет содержать общую массу мишени 50 тонн жидкого аргона.
|
|
|
|
«Мы разработали детектор, который при воздействии 100 т в год должен обнаруживать <0,2 фоновых события (ошибочно идентифицированные отдачи электронов (ER) и непомеченные ядерные отдачи, вызванные нейтронами (NR)) в доверительном объеме 20,2 т, плюс ожидаемые 1,7 ± 0,3 события из-за неизбежного физического фона ядерных отскоков, вызванных когерентным рассеянием атмосферных нейтрино («атмосферный нейтринный туман»)», — сказал Phys.org Клаудио Саварезе, исследователь из Принстонского университета. «Статистически значимый избыток событий, наблюдаемых в детекторе, затем становится потенциальным открытием темной материи. DarkSide-20k спроектирован так, чтобы быть наиболее чувствительным к стандартным вимпам с массами выше 100 ГэВ/c2. Тем не менее, что касается DarkSide-50, мы использовать канал ионизации для поиска кандидатов в Легкую Темную Материю с массами до десятков МэВ/c2».
|
|
|
|
Гальбиати, Агнес, Франко, Саварезе и их коллеги в настоящее время оценивают чувствительность детектора DarkSide-20K в надежде, что это позволит им еще больше улучшить существующие ограничения на темную материю субГэВ. Параллельно они разрабатывают DarkSide-LowMass, новый специализированный эксперимент, который будет специально сосредоточен на поиске легкой темной материи. «Этот новый аппарат основан на технологических прорывах DarkSide-50 и DarkSide-20k и расширяет свою чувствительность до «солнечного нейтринного тумана», что означает, что он настолько чувствителен, что нейтрино, образующиеся в солнечном ядре, становятся основным фоном детектора». — сказал Саварезе. «Исследования, подробно описывающие концептуальный дизайн DS-LM и его охват в пространстве параметров темной материи, были недавно опубликованы на arXiv и в настоящее время рассматриваются для публикации в Physical Review D».
|
|
|
|
Детектор DarkSide-LowMass будет представлять собой двухфазную временную проекционную камеру, содержащую активную массу в 1,5 тонны аргона, добытого из-под земли. Этот аргон должен пройти активный процесс изотопной очистки, который должен снизить содержание в нем 39Ar еще в 10 раз. По сравнению с детекторами DarkSide-50 и DarkSide-20k, DarkSide-LowMass будет иметь чрезвычайно легкую структуру временной проекционной камеры, которая, как ожидается, снизит гамма-активность из-за примесей в материалах детектора. Он также будет оснащен новой низкопороговой системой гамма-вето, предназначенной для дальнейшего подавления остаточного фонового уровня.
|
|
|
|
«Дополнительные исследования и технологические разработки позволят повысить чувствительность DS-LM к кандидатам в субГэВ для второго этапа эксперимента после первых научных запусков», — добавил Саварезе. «Эти усилия направлены на усиление сигнала за счет увеличения количества показаний заряда на единицу вложенной энергии и снижения энергетического порога детектора. По сути, сила DS-LM заключается в его непревзойденно низкой скорости фоновых событий и в его способности использовать новые методы для усиления сигнала DM. Путь вперед ясен, и я нахожу по-настоящему захватывающим возможность раздвинуть границы науки до новых пределов».
|
|
|
|
Источник
|
