DEAP - DEAP

Denne artikel handler om eksperimentet med mørkt stof. For beregningsrammer, se DEAP (software) .
Image
DEAP-3600 detektor under opførelse i 2014

DEAP ( Dark matter Experiment using Argon Pulse-formrimination ) er et direkte eksperiment med mørk stofsøgning, der bruger flydende argon som målmateriale. DEAP anvender baggrundsdiskrimination på baggrund af den karakteristiske scintillationspulsform af argon. En første generations detektor ( DEAP-1 ) med en 7 kg målmasse blev betjent ved Queen's University for at teste udførelsen af ​​pulsformdiskrimination ved lave rekylenergier i flydende argon. DEAP-1 blev derefter flyttet til SNOLAB , 2 km under jordens overflade, i oktober 2007 og indsamlede data i 2011.

DEAP-3600 er designet med 3600 kg aktivt flydende argon masse for at opnå følsomhed over for WIMP -nucleon spredning tværsnit så lavt som 10 -46 cm 2 for en mørkt stof partikelmasse på 100 GeV / c 2 . DEAP-3600-detektoren afsluttede konstruktionen og startede dataindsamlingen i 2016. En hændelse med detektoren tvang en kort pause i dataindsamlingen i 2016. Fra og med 2019 indsamler eksperimentet data.

For at opnå endnu bedre følsomhed over for mørkt stof blev Global Argon Dark Matter Collaboration dannet med forskere fra DEAP, DarkSide , CLEAN og ArDM eksperimenter. En detektor med en flydende argonmasse på over 20 tons ( DarkSide-20k ) er planlagt til drift ved Laboratori Nazionali del Gran Sasso . Forsknings- og udviklingsindsatsen arbejder hen imod en næste generations detektor ( ARGO ) med en flydende argon- målmasse på flere hundrede ton, der er designet til at nå neutrino-gulvet, planlagt til at fungere på SNOLAB på grund af dets ekstremt lave baggrundsstrålingsmiljø.

Argonscintillationsegenskaber og baggrundsafvisning

Da flydende argon er et scintillerende materiale, producerer en partikel, der interagerer med det, lys i forhold til den energi, der er afsat fra den indfaldende partikel, og dette er en lineær effekt for lave energier, før slukning bliver en vigtig medvirkende faktor. Interaktionen mellem en partikel og argonen forårsager ionisering og tilbagevenden langs interaktionsstien. De tilbagevendende argonkerner gennemgår rekombination eller selvfangst, hvilket i sidste ende resulterer i emission af 128 nm vakuum ultraviolette (VUV) fotoner. Derudover har flydende argon den unikke egenskab at være gennemsigtig for sit eget scintillationslys, dette giver mulighed for lysudbytter på 10'ere af tusinder af fotoner produceret for hver deponeret MeV energi.

Den elastiske spredning af en WIMP-mørk stofpartikel med en argonkerne forventes at få kernen til at recoil. Dette forventes at være en meget lav energi interaktion (keV) og kræver en lav detektionstærskel for at være følsom. På grund af den nødvendigvis lave detekteringstærskel er antallet af opdagede baggrundshændelser meget højt. Den svage signatur af en mørk stofpartikel som en WIMP vil blive maskeret af de mange forskellige typer mulige baggrundshændelser. En teknik til at identificere disse ikke-mørke materiehændelser er pulsformdiskrimination (PSD), som karakteriserer en begivenhed baseret på timingsignaturen for scintillationslyset fra flydende argon.

PSD er mulig i en flydende argondetektor, fordi interaktioner på grund af forskellige indfaldende partikler såsom elektroner , højenergifotoner , alfas og neutroner skaber forskellige proportioner af ophidsede tilstande i de tilbagevendende argonkerner, disse er kendt som singlet- og triplettilstande og de henfalder med karakteristiske levetider på henholdsvis 6 ns og 1300 ns. Interaktioner fra gammas og elektroner producerer primært triplet-exciterede tilstande gennem elektroniske rekyler, mens neutron- og alfa-interaktioner producerer primært singlet-exciterede tilstande gennem nukleare rekyler. Det forventes, at WIMP-nukleoninteraktioner også producerer et nukleart rekyltypesignal på grund af den elastiske spredning af den mørke stofpartikel med argonkernen.

Ved at bruge ankomsttidsfordelingen af ​​lys til en begivenhed er det muligt at identificere dens sandsynlige kilde. Dette gøres kvantitativt ved at måle forholdet mellem lyset målt af fotodetektorerne i et "prompt" -vindue (<60 ns) over lyset målt i et "sent" vindue (<10.000 ns). I DEAP kaldes denne parameter Fprompt. Hændelser af atomrekyltype har høje Fprompt-værdier (~ 0,7), mens elektroniske rekylhændelser har en lav Fprompt-værdi (~ 0,3). På grund af denne adskillelse i Fprompt for WIMP-lignende (Nuclear Recoil) og baggrundslignende (Electronic Recoil) -hændelser er det muligt entydigt at identificere de mest dominerende kilder til baggrund i detektoren.

Den mest rigelige baggrund i DEAP kommer fra beta-henfaldet af Argon-39, som har en aktivitet på ca. 1 Bq / kg i atmosfærisk argon. Diskrimination af beta- og gamma-baggrundshændelser fra nukleare rekyler i energiområdet af interesse (nær 20 keV elektronenergi) kræves for at være bedre end 1 ud af 108 for at tilstrækkeligt undertrykke disse baggrunde til en mørk stofsøgning i flydende atmosfærisk argon.

DEAP-1

Den første fase af DEAP-projektet, DEAP-1, blev designet for at karakterisere flere egenskaber ved flydende argon, demonstrere pulsformdiskrimination og forfine engineering. Denne detektor var for lille til at udføre mørke stofsøgninger. DEAP-1 anvendte 7 kg flydende argon som et mål for WIMP-interaktioner. To fotomultiplikatorrør (PMT'er) blev brugt til at detektere scintillationslyset produceret af en partikel, der interagerer med det flydende argon. Da det producerede scintillationslys har kort bølgelængde (128 nm), blev en bølgelængdeforskydende film brugt til at absorbere det ultraviolette scintillationslys og genudsende i det synlige spektrum (440 nm), der gør det muligt for lyset at passere gennem almindelige vinduer uden tab og til sidst blive opdaget af PMT'erne.

DEAP-1 demonstrerede god pulsformet diskrimination af baggrunde på overfladen og begyndte at arbejde på SNOLAB. Den dybe underjordiske placering reducerede uønskede kosmogene baggrundshændelser. DEAP-1 løb fra 2007 til 2011, inklusive to ændringer i den eksperimentelle opsætning. DEAP-1 karakteriserede baggrundshændelser og bestemte de nødvendige designforbedringer i DEAP-3600.

DEAP-3600

DEAP-3600-detektoren er designet til at bruge 3600 kg flydende argon med et 1000 kg fiducial volumen, det resterende volumen bruges som selvafskærmende og baggrundsveto. Dette er indeholdt i en sfærisk akrylbeholder med en diameter på ~ 2 m , den første af sin slags, der nogensinde er oprettet. Akrylbeholderen er omgivet af 255 fotomultiplikatorrør (PMT'er) med høj kvanteeffektivitet for at detektere argonscintillationslyset. Akrylbeholderen er anbragt i en rustfrit stålskal nedsænket i en 7,8 m diameter skjoldtank fyldt med ultrarent vand. Ydersiden af ​​stålskallen har yderligere 48 veto-PMT'er til at detektere Cherenkov- stråling produceret af indkommende kosmiske partikler, primært muoner .

Materialerne, der blev brugt i DEAP-detektoren, skulle overholde strenge radiorenhedsstandarder for at reducere baggrundshændelseforurening. Alle anvendte blev analyseret materialer at bestemme niveauer af stråling til stede, og indre detektor komponenter havde strenge krav til radon udstråling, der udsender alfastråling fra dets henfald døtre . Den indre beholder er belagt med bølgelængdeskiftende materiale TPB, som blev vakuuminddampet på overfladen. TPB er et almindeligt bølgelængdeskiftende materiale, der anvendes i flydende argon- og flydende xenon-eksperimenter på grund af dets hurtige genemission og høje lysudbytte, med en emissionsspektre, der toppede ved 425 nm, i følsomhedsområdet for de fleste PMT'er.

Den forventede følsomhed af DEAP med hensyn til spin-uafhængig WIMP-kerne-tværsnit er 10 −46 cm 2 ved 100 GeV / c 2 efter tre levende år med datatagning.

Samarbejdsinstitutioner

Samarbejdsinstitutioner inkluderer:

Dette samarbejde drager stort set fordel af den erfaring, mange af medlemmerne og institutionerne har fået på Sudbury Neutrino Observatory (SNO) -projektet, som studerede neutrinoer , en anden svagt interagerende partikel.

Status for DEAP-3600

Efter at byggeriet var afsluttet, begyndte DEAP-3600-detektoren at tage ibrugtagnings- og kalibreringsdata i februar 2015 med kvælstofgasrensning i detektoren. Detektorfyldningen blev afsluttet, og datatagning for at søge efter mørkt stof blev startet den 5. august 2016. Kort efter den første fyldning af detektoren med flydende argon mislykkedes en butyl-O-ringforsegling den 17. august 2016 og forurenede argonen med 100 ppm N 2 Detektoren blev derefter udluftet og genudfyldt, men denne gang til et niveau på 3300 kg for at undgå en gentagelse af forseglingsfejl: denne anden fyldning blev afsluttet i november 2016. Den første mørke stofsøgning Resultater med en eksponering på 4,44 levende dage fra den oprindelige fyldning blev offentliggjort i august 2017, hvilket giver en tværsnitsgrænse på 1,2 × 10 −44 cm 2 for en 100 GeV / c 2 WIMP-masse.

Forbedret følsomhed over for mørkt stof blev opnået i februar 2019 med en analyse af data indsamlet over 231 levende dage fra den anden udfyldning i 2016-2017, hvilket gav en tværsnitsgrænse på 3,9 × 10 −45 cm 2 for en 100 GeV / c 2 WIMP masse. Denne opdaterede analyse viste den bedste ydeevne, der nogensinde er opnået i flydende argon ved tærsklen, for pulsform-diskriminationsteknik mod beta- og gamma-baggrunde. Samarbejdet udviklede også nye teknikker til at afvise sjældne nukleare rekylbaggrunder ved hjælp af den observerede fordeling af lys i rum og tid efter en scintillationshændelse.

Fra 2019 fortsætter DEAP-3600 med at søge efter mørkt stof.

Referencer

eksterne links