DEAP - DEAP

Ten artykuł dotyczy eksperymentu z ciemną materią. Aby uzyskać informacje o strukturze obliczeniowej, zobacz DEAP (oprogramowanie) .
Detektor DEAP-3600 w trakcie budowy w 2014 roku

DEAP ( eksperyment z ciemną materią wykorzystujący dyskryminację kształtu impulsu argonu ) to bezpośredni eksperyment dotyczący poszukiwania ciemnej materii, w którym jako materiał docelowy wykorzystuje się ciekły argon . DEAP wykorzystuje dyskryminację tła opartą na charakterystycznym kształcie impulsu scyntylacyjnego argonu. Detektor pierwszej generacji ( DEAP-1 ) o masie docelowej 7 kg był obsługiwany na Uniwersytecie Queen's w celu przetestowania wydajności rozróżniania kształtu impulsu przy niskich energiach odrzutu w ciekłym argonie. DEAP-1 został następnie przeniesiony do SNOLAB , 2 km pod powierzchnią Ziemi, w październiku 2007 roku i zebrał dane do 2011 roku.

DEAP-3600 został zaprojektowany z 3600 kg masy aktywnego ciekłego argonu, aby uzyskać czułość na przekroje rozpraszania nukleonów WIMP tak niskie, jak 10-46 cm 2 dla masy cząstek ciemnej materii 100 GeV / c 2 . Detektor DEAP-3600 zakończył budowę i rozpoczął zbieranie danych w 2016 r. Incydent z detektorem wymusił krótką przerwę w zbieraniu danych w 2016 r. Od 2019 r. Trwa zbieranie danych.

Aby osiągnąć jeszcze lepszą wrażliwość na ciemną materię, utworzono Global Argon Dark Matter Collaboration z naukowcami z eksperymentów DEAP, DarkSide , CLEAN i ArDM . W Laboratori Nazionali del Gran Sasso planowana jest praca detektora o masie ciekłego argonu powyżej 20 ton ( DarkSide-20k ) . Prowadzone są prace badawczo-rozwojowe nad detektorem nowej generacji ( ARGO ) z wielusettonową masą docelową ciekłego argonu, przeznaczonym do dotarcia do podłogi neutrin, planowanym do pracy w SNOLAB ze względu na wyjątkowo niskie promieniowanie tła.

Właściwości scyntylacji argonu i odrzucanie tła

Ponieważ ciekły argon jest materiałem scyntylacyjnym, a cząstka oddziałująca z nim wytwarza światło proporcjonalnie do energii zdeponowanej z padającej cząstki, jest to efekt liniowy dla niskich energii, zanim hartowanie stanie się głównym czynnikiem przyczyniającym się do tego. Interakcja cząstki z argonem powoduje jonizację i zawracanie na drodze interakcji. Odbijające się jądra argonu ulegają rekombinacji lub samowyłapaniu, co ostatecznie skutkuje emisją 128 nm próżniowych fotonów ultrafioletowych (VUV). Dodatkowo ciekły argon ma wyjątkową właściwość przezroczystości dla własnego światła scyntylacyjnego, co pozwala na uzyskanie wydajności świetlnej rzędu 10 tysięcy fotonów wytwarzanych na każde MeV zdeponowanej energii.

Oczekuje się, że elastyczne rozpraszanie cząstki ciemnej materii WIMP z jądrem argonu spowoduje odrzut jądra. Oczekuje się, że będzie to oddziaływanie o bardzo niskiej energii (keV) i wymaga niskiego progu wykrywania, aby być czułym. Ze względu na koniecznie niski próg detekcji liczba wykrytych zdarzeń tła jest bardzo wysoka. Słaba sygnatura cząstki ciemnej materii, takiej jak WIMP, zostanie zamaskowana przez wiele różnych typów możliwych zdarzeń w tle. Techniką identyfikacji tych zdarzeń niezwiązanych z ciemną materią jest dyskryminacja kształtu impulsu (PSD), która charakteryzuje zdarzenie na podstawie sygnatury czasowej światła scyntylacyjnego z ciekłego argonu.

PSD jest możliwe w detektorze ciekłego argonu, ponieważ interakcje spowodowane różnymi padającymi cząstkami, takimi jak elektrony , fotony o wysokiej energii , alfa i neutrony, tworzą różne proporcje stanów wzbudzonych odbijających się jąder argonu, są one znane jako stany singletowe i trypletowe i ulegają rozpadowi o charakterystycznych czasach życia odpowiednio 6 ns i 1300 ns. Interakcje z gamma i elektronami wytwarzają głównie stany wzbudzone trypletami poprzez odrzuty elektroniczne, podczas gdy interakcje neutronów i alfa wytwarzają głównie singletowe stany wzbudzone poprzez odrzut jądrowy. Oczekuje się, że interakcje WIMP-nukleon również wytwarzają sygnał typu odrzutu jądrowego z powodu elastycznego rozpraszania cząstki ciemnej materii z jądrem argonu.

Wykorzystując rozkład czasu nadejścia światła dla zdarzenia, można zidentyfikować jego prawdopodobne źródło. Odbywa się to ilościowo, mierząc stosunek światła mierzonego przez foto-detektory w oknie „zachęty” (<60 ns) do światła mierzonego w oknie „późnym” (<10 000 ns). W DEAP ten parametr nazywa się Fprompt. Zdarzenia typu odrzut jądrowy mają wysokie wartości Fprompt (~ 0,7), podczas gdy zdarzenia odrzutu elektronicznego mają niską wartość Fprompt (~ 0,3). Dzięki tej separacji w Fprompt dla zdarzeń typu WIMP (Nuclear Recoil) i tła (Electronic Recoil), możliwe jest jednoznaczne zidentyfikowanie najbardziej dominujących źródeł tła w detektorze.

Najbardziej obfite tło w DEAP pochodzi z rozpadu beta argonu-39, który ma aktywność około 1 Bq / kg w atmosferycznym argonie. Dyskryminacja tła beta i gamma z odrzutów jądrowych w obszarze energii będącym przedmiotem zainteresowania (blisko 20 keV energii elektronów) musi być lepsza niż 1 na 10 8, aby dostatecznie stłumić to tło dla poszukiwań ciemnej materii w ciekłym atmosferycznym argonie.

DEAP-1

Pierwszy etap projektu DEAP, DEAP-1, miał na celu scharakteryzowanie kilku właściwości ciekłego argonu, wykazanie dyskryminacji kształtu impulsu oraz udoskonalenie inżynierii. Ten detektor był zbyt mały, aby wyszukiwać ciemną materię. Projekt DEAP-1 wykorzystał 7 kg ciekłego argonu jako cel interakcji WIMP. Do wykrywania światła scyntylacyjnego wytwarzanego przez cząstkę oddziałującą z ciekłym argonem wykorzystano dwie fotopowielacze (PMT). Ponieważ wytwarzane światło scyntylacyjne ma krótką długość fali (128 nm), zastosowano film o zmiennej długości fali do pochłaniania ultrafioletowego światła scyntylacyjnego i ponownego emitowania w widmie widzialnym (440 nm), umożliwiając przechodzenie światła przez zwykłe okna bez żadnych strat i ostatecznie zostaną wykryte przez PMT.

DEAP-1 wykazał dobre rozróżnianie kształtu impulsu tła na powierzchni i rozpoczął pracę w SNOLAB. Głębokie podziemne położenie ograniczyło niepożądane kosmogenne zdarzenia tła. DEAP-1 działał od 2007 do 2011 roku, obejmując dwie zmiany w konfiguracji eksperymentalnej. DEAP-1 scharakteryzował zdarzenia tła, określając ulepszenia projektu potrzebne w DEAP-3600.

DEAP-3600

Detektor DEAP-3600 został zaprojektowany do użycia 3600 kg ciekłego argonu, o objętości odniesienia 1000 kg, pozostała objętość służy jako samoosłonowanie i weto tła. Jest on umieszczony w kulistym akrylowym naczyniu o średnicy ~ 2 m , pierwszym tego rodzaju, jaki kiedykolwiek powstał. Naczynie akrylowe jest otoczone 255 fotopowielaczami o wysokiej wydajności kwantowej (PMT) do wykrywania światła scyntylacyjnego argonu. Naczynie akrylowe jest umieszczone w skorupie ze stali nierdzewnej zanurzonej w zbiorniku osłonowym o średnicy 7,8 m, wypełnionym ultra czystą wodą. Na zewnątrz stalowej skorupy znajduje się dodatkowe 48 PMT veto do wykrywania promieniowania Czerenkowa wytwarzanego przez nadchodzące cząstki kosmiczne, głównie miony .

Materiały użyte w detektorze DEAP musiały spełniać rygorystyczne normy czystości radiowej, aby zmniejszyć zanieczyszczenie zdarzeniami tła. Wszystkie użyte materiały zostały przebadane w celu określenia poziomów obecnego promieniowania, a wewnętrzne elementy detektora miały surowe wymagania dotyczące emisji radonu , który emituje promieniowanie alfa z jego córek rozpadu . Naczynie wewnętrzne jest pokryte materiałem TPB zmieniającym długość fali, który został odparowany próżniowo na powierzchnię. TPB jest popularnym materiałem zmieniającym długość fali stosowanym w eksperymentach z ciekłym argonem i ciekłym ksenonem ze względu na jego szybką reemisję i wysoką wydajność światła, z widmami emisyjnymi osiągającymi szczyt przy 425 nm, w obszarze czułości większości PMT.

Prognozowany czułość DEAP w warunkach wirowania, niezależny WIMP-jądro przekroju wynosi 10 -46 cm 2 w temperaturze 100 GeV / C 2 po trzech latach żywych zbieranie danych.

Instytucje współpracujące

Instytucje współpracujące obejmują:

Współpraca ta w dużej mierze korzysta z doświadczeń wielu członków i instytucji zdobytych w ramach projektu Sudbury Neutrino Observatory (SNO), w ramach którego badano neutrina , inną słabo oddziałującą cząstkę.

Status DEAP-3600

Po zakończeniu budowy, detektor DEAP-3600 rozpoczął pobieranie danych rozruchowych i kalibracyjnych w lutym 2015 r. Z przedmuchiwaniem detektora azotem. Wypełnianie detektora zostało zakończone, a zbieranie danych w celu poszukiwania ciemnej materii rozpoczęto 5 sierpnia 2016 r. Wkrótce po pierwszym napełnieniu detektora ciekłym argonem 17 sierpnia 2016 r. Doszło do uszkodzenia butylowego pierścienia uszczelniającego typu O-ring i spowodowało zanieczyszczenie argonu. 100 ppm N 2 Detektor został następnie odpowietrzony i ponownie napełniony, ale tym razem do poziomu 3300 kg, aby uniknąć ponownego wystąpienia awarii uszczelnienia: to drugie wypełnienie zakończono w listopadzie 2016 r. Pierwsze poszukiwanie ciemnej materii Wyniki z ekspozycją na 4,44 dni życia od pierwszego wypełnienia zostały opublikowane w sierpniu 2017 r., dając limit przekroju 1,2 × 10-44 cm 2 dla masy 100 GeV / c 2 WIMP.

Poprawioną wrażliwość na ciemną materię uzyskano w lutym 2019 r., Na podstawie analizy danych zebranych w ciągu 231 żywych dni od drugiego wypełnienia w latach 2016-2017, dając limit przekroju 3,9 × 10-45 cm 2 dla 100 GeV / c 2 masy WIMP. Ta zaktualizowana analiza wykazała najlepszą wydajność, jaką kiedykolwiek osiągnięto w ciekłym argonie na progu, w technice rozróżniania kształtu impulsu na tle beta i gamma. W ramach współpracy opracowano również nowe techniki odrzucania rzadkich tła odrzutu jądrowego, wykorzystujące obserwowany rozkład światła w przestrzeni i czasie po zdarzeniu scyntylacyjnym.

Od 2019 roku DEAP-3600 kontynuuje poszukiwania ciemnej materii.

Bibliografia

Zewnętrzne linki