DEAP - DEAP

Ez a cikk a sötét anyaggal végzett kísérletről szól. A számítási keretrendszerről lásd: DEAP (szoftver) .
Image
DEAP-3600 érzékelő építés közben 2014-ben

A DEAP ( sötétanyag -kísérlet, argonimpulzus alakú megkülönböztetés alkalmazásával ) egy közvetlen sötétanyag- keresési kísérlet, amely folyékony argont használ célanyagként. A DEAP háttér-diszkriminációt alkalmaz az argon jellegzetes szcintillációs impulzus alakja alapján. Az első generációs detektor ( DEAP-1 ) 7 kg-os céltömeggel működött a Queen's University-n, hogy teszteljék az impulzus alakú megkülönböztetés teljesítményét alacsony visszacsapódási energiák mellett folyékony argonban. A DEAP-1-et 2007 októberében a földfelszín alatt 2 km-re lévő SNOLAB- ba költöztették, és 2011-ben gyűjtött adatokat.

DEAP-3600 volt a célja 3600 kg hatóanyag folyékony argon tömeg elérése érzékenység Nyámnyila -nucleon szórási keresztmetszete olyan alacsony, mint 10 -46 cm 2 egy sötét anyag részecskék tömege 100 GeV / c 2 . A DEAP-3600 detektor befejezte az építkezést, és 2016-ban megkezdte az adatgyűjtést. A detektorral történt eset 2016-ban rövid szünetet kényszerített az adatgyűjtésbe. 2019-től a kísérlet adatokat gyűjt.

A sötét anyaggal szembeni jobb érzékenység elérése érdekében megalakult a Globális Argon Sötét Anyag Együttműködés a DEAP, a DarkSide , a CLEAN és az ArDM kísérleteinek tudósaival . 20 tonna feletti folyékony argontömegű detektort ( DarkSide-20k ) terveznek működtetni a Laboratori Nazionali del Gran Sasso-nál . A kutatási és fejlesztési erőfeszítések a következő generációs detektor ( ARGO ) kifejlesztésén dolgoznak , amelynek több száz tonnás folyékony argon céltömege van a neutrínószint elérésére, és amelyet a SNOLAB-ban terveznek működtetni rendkívül alacsony háttér-sugárzási környezete miatt.

Argon szcintillációs tulajdonságok és háttér-elutasítás

Mivel a folyékony argon szcintilláló anyag, a vele kölcsönhatásban lévő részecske a beeső részecskéből lerakódott energiával arányosan termel fényt, ez lineáris hatás alacsony energiákra, mielőtt a kioltás fő hozzájáruló tényezővé válik. Egy részecske és az argon kölcsönhatása ionizációt és visszahúzódást okoz az interakció útján. A visszacsapódó argonmagok rekombináción vagy öncsapdán esnek át, ami végül 128 nm-es vákuum ultraibolya (VUV) fotonok kibocsátását eredményezi. Ezenkívül a folyékony argonnak egyedülálló tulajdonsága, hogy átlátszó a saját szcintillációs fényével szemben, ez lehetővé teszi a fotonok 10 ezreinek 10 000 fénytermését minden lerakódott MeV után.

A WIMP sötét anyag részecske és az argonmag rugalmas szóródása várhatóan visszahúzódást okoz. Ez várhatóan nagyon alacsony energiájú kölcsönhatás (keV), és alacsony érzékelési küszöböt igényel az érzékenység érdekében. A feltétlenül alacsony detektálási küszöb miatt az észlelt háttéresemények száma nagyon magas. A sötét anyag részecskék, például a WIMP halvány aláírását elfedi a sokféle lehetséges háttéresemény. A nem sötét anyagú események azonosításának technikája az impulzus alakú diszkrimináció (PSD), amely egy eseményt a folyékony argonból származó szcintillációs fény időzített aláírása alapján jellemez.

A PSD folyékony argondetektorban azért lehetséges, mert a különböző beeső részecskék, például az elektronok , a nagy energiájú fotonok , az alfák és a neutronok miatti kölcsönhatások különböző arányban hozzák létre a visszacsapódó argonmagok gerjesztett állapotát, ezeket szinguletteként és triplett állapotukként ismerik el, és bomlanak. jellemző élettartama 6 ns, illetve 1300 ns. A gammák és az elektronok kölcsönhatásai elsősorban triplett gerjesztett állapotokat eredményeznek az elektronikus visszacsapások révén, míg a neutron és az alfa kölcsönhatások elsősorban a szingulett gerjesztett állapotokat eredményezik a mag visszacsapódásai révén. Várható, hogy a WIMP-nukleon kölcsönhatások egy mag visszacsapódás típusú jelet is produkálnak a sötét anyag részecske és az argon mag rugalmas szóródása miatt.

A fény érkezési idejének eloszlásának felhasználásával azonosítani lehet annak valószínű forrását. Ezt kvantitatív módon úgy végezzük, hogy megmérjük a fényérzékelők által a "gyors" ablakban (<60 ns) mért fény arányát a "késői" ablakban (<10 000 ns) mért fény felett. A DEAP-ban ezt a paramétert Fprompt-nak hívják. A nukleáris visszarúgás típusú események magas Fprompt (~ 0,7), míg az elektronikus visszarendező események alacsony Fprompt értékkel (~ 0,3). A WIMP-szerű (Nuclear Recoil) és a háttér-szerű (Electronic Recoil) események Fprompt-ban történő ennek a szétválasztásának köszönhetően lehetővé válik a detektorban a legdominánsabb háttérforrások egyedi azonosítása.

A DEAP leggyakoribb hátterét az Argon-39 béta-bomlása adja, amelynek aktivitása atmoszférikus argonban körülbelül 1 Bq / kg. A béta- és gamma-háttéresemények megkülönböztetéséhez az érdeklődő energia-régióban (közel 20 keV elektronenergia) a magok visszahúzódásai szükségesek, hogy jobbak legyenek, mint 1: 10 8, hogy elegendő mértékben elnyomják ezeket a háttereket a sötét anyag kereséséhez a folyékony légköri argonban.

DEAP-1

A DEAP projekt első szakaszát, a DEAP-1-et arra tervezték, hogy jellemezze a folyékony argon számos tulajdonságát, bemutassa az impulzus alakú diszkriminációt és finomítsa a mérnöki munkát. Ez a detektor túl kicsi volt ahhoz, hogy sötét anyagot kutasson. A DEAP-1 7 kg folyékony argont használt célként a WIMP interakciókhoz. Két fényszorzó csövet (PMT) alkalmaztunk a folyékony argonnal kölcsönhatásban lévő részecske által előállított szcintillációs fény kimutatására. Mivel az előállított szcintillációs fény rövid hullámhosszúságú (128 nm), egy hullámhossz-eltolódási fóliát használtak az ultraibolya szcintillációs fény elnyelésére és a látható spektrumban (440 nm) történő újbóli kibocsátására, amely lehetővé tette a fény áthaladását a szokásos ablakokon veszteségek nélkül, és végül a PMT-k észlelik.

A DEAP-1 a pulzus alakjának jó megkülönböztetését mutatta a felületeken, és megkezdte működését a SNOLAB-nál. A mély földalatti hely csökkentette a nem kívánt kozmogén háttéreseményeket. A DEAP-1 2007 és 2011 között futott, két változtatással a kísérleti beállításban. A DEAP-1 a háttéreseményeket jellemezte, meghatározva a DEAP-3600-ban szükséges tervezési fejlesztéseket.

DEAP-3600

A DEAP-3600 detektort 3600 kg folyékony argon felhasználására tervezték, 1000 kg-os fiduciális térfogattal, a fennmaradó térfogatot önvédő és háttér-vétóként használják. Ez egy ~ 2 m átmérőjű gömb alakú akril edényben található, amely az első ilyen típusú. Az akriledényt 255 nagy kvantumhatékonyságú fotomultiplikátor cső (PMT) veszi körül az argon szcintillációs fény detektálása érdekében. Az akril edény egy rozsdamentes acél héjban van elhelyezve, amelyet 7,8 m átmérőjű pajzs tartályba merítenek, amely ultratiszta vízzel van feltöltve. Az acélhéj külső részén további 48 vétó PMT található a bejövő kozmikus részecskék, elsősorban a müonok által termelt Cserenkov- sugárzás detektálására .

A DEAP detektorban használt anyagoknak szigorú rádiótisztasági előírásokat kellett betartaniuk a háttéresemények szennyeződésének csökkentése érdekében. Minden felhasznált anyagok vizsgáltunk, hogy meghatározzuk szintű sugárzást jelen, és a belső érzékelő elemek volt szigorú követelményeket radon emanáció, amely bocsát ki alfa sugárzás annak bomlási leányai . A belső edényt hullámhossz-eltolódású TPB anyaggal vonjuk be, amelyet vákuumban bepároltunk a felületre. A TPB egy gyakori hullámhossz-váltó anyag, amelyet folyékony argon- és folyékony xenon-kísérletekben használnak gyors újbóli emissziója és nagy fényhozama miatt, az emissziós spektrumok csúcsa 425 nm, a PMT-k érzékenységi tartományában.

A tervezett érzékenysége DEAP szempontjából spin-független nyúlbéla atommag keresztmetszet 10 -46 cm 2 100 GeV / c 2 után három élő év adatai tart.

Együttműködő intézmények

Az együttműködő intézmények a következők:

Ez az együttműködés nagyrészt abból a tapasztalatból származik, amelyet sok tag és intézmény szerzett a Sudbury Neutrino Obszervatórium (SNO) projektjén, amely a neutrínókat , egy másik gyengén kölcsönhatásban lévő részecskét tanulmányozta.

A DEAP-3600 állapota

Az építkezés befejezése után a DEAP-3600 detektor 2015 februárjában megkezdte az üzembe helyezési és kalibrálási adatok felvételét, a detektor nitrogéngáz-öblítésével. A detektor kitöltése befejeződött, és a sötét anyag felkutatásához 2016. augusztus 5-én megkezdődött az adatgyűjtés. Röviddel azután, hogy a detektor először folyékony argonnal töltődött fel, 2016. augusztus 17-én egy butil O-gyűrű tömítése meghiúsult és szennyezte az argont 100 ppm N 2 a detektor ezután lefúvatjuk, és újra töltött, de ezúttal egy olyan szintre, 3300 kg-os, hogy elkerülje a ismételt előfordulásának a tömítés károsodna: ez a második töltés befejeződött novemberében 2016. az első sötét anyag keresés A kezdeti kitöltéstől számított 4,44 élő nap expozícióval rendelkező eredményeket 2017 augusztusában tették közzé, így a keresztmetszet határa 1,2 × 10 −44 cm 2 volt 100 GeV / c 2 WIMP tömeg esetén.

A sötét anyag iránti fokozott érzékenységet 2019 februárjában érték el, a 231 élő napon összegyűjtött adatok elemzésével, a 2016–2017 közötti második kitöltést követően, 3,9 × 10 −45 cm 2 keresztmetszeti határértéket adva 100 GeV / c értékre. 2 WIMP tömeg. Ez a frissített elemzés bemutatta a folyékony argonban valaha elért legjobb teljesítményt küszöbértéknél a pulzus alakú diszkriminációs technikához a béta és gamma háttérrel szemben. Az együttműködés új technikákat is kidolgozott a ritka magvisszahúzódás hátterének elutasítására, a szcintillációs esemény után a megfigyelt fény térben és időben történő eloszlását felhasználva.

2019-től a DEAP-3600 tovább kutatja a sötét anyagot.

Hivatkozások

Külső linkek