DEAP - DEAP

Questo articolo riguarda l'esperimento sulla materia oscura. Per il framework di calcolo, vedere DEAP (software) .
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Rilevatore DEAP-3600 durante la costruzione nel 2014

DEAP ( Dark matter Experiment using Argon Pulse-shape discriminazione ) è un esperimento di ricerca diretta della materia oscura che utilizza argon liquido come materiale bersaglio. DEAP utilizza la discriminazione di fondo basata sulla caratteristica forma di impulso di scintillazione dell'argon. Un rilevatore di prima generazione ( DEAP-1 ) con una massa target di 7 kg è stato utilizzato presso la Queen's University per testare le prestazioni della discriminazione della forma dell'impulso a basse energie di rinculo nell'argon liquido. DEAP-1 è stato quindi spostato a SNOLAB , 2 km sotto la superficie terrestre, nell'ottobre 2007 e ha raccolto i dati nel 2011.

DEAP-3600 è stato progettato con 3600 kg di massa argon liquido attivo per ottenere una sensibilità per WIMP -nucleon dispersione sezioni partire da 10 -46 cm 2 per una questione massa particella oscura di 100 GeV / c 2 . Il rilevatore DEAP-3600 ha terminato la costruzione e ha iniziato la raccolta dei dati nel 2016. Un incidente con il rilevatore ha costretto una breve pausa nella raccolta dei dati nel 2016. A partire dal 2019, l'esperimento sta raccogliendo dati.

Per raggiungere una sensibilità ancora migliore alla materia oscura, è stata costituita la Global Argon Dark Matter Collaboration con scienziati provenienti da esperimenti DEAP, DarkSide , CLEAN e ArDM . Un rivelatore con una massa di argon liquido superiore a 20 tonnellate ( DarkSide-20k ) è previsto per il funzionamento presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso . Gli sforzi di ricerca e sviluppo stanno lavorando verso un rivelatore di nuova generazione ( ARGO ) con una massa target di argon liquido di centinaia di tonnellate progettata per raggiungere il pavimento dei neutrini, che dovrebbe funzionare a SNOLAB a causa del suo ambiente di radiazione di fondo estremamente basso.

Proprietà di scintillazione dell'argon e rigetto del fondo

Poiché l'argon liquido è un materiale scintillante, una particella che interagisce con esso produce luce in proporzione all'energia depositata dalla particella incidente, questo è un effetto lineare per basse energie prima che la tempra diventi un fattore determinante. L'interazione di una particella con l'argon provoca la ionizzazione e il rinculo lungo il percorso dell'interazione. I nuclei di argon che si rincorrono vengono sottoposti a ricombinazione o auto-intrappolamento, determinando infine l'emissione di fotoni ultravioletti sotto vuoto (VUV) a 128 nm. Inoltre, l'argon liquido ha la proprietà unica di essere trasparente alla propria luce di scintillazione, ciò consente rendimenti di luce di decine di migliaia di fotoni prodotti per ogni MeV di energia depositata.

Si prevede che la dispersione elastica di una particella di materia oscura WIMP con un nucleo di argon provochi il rinculo del nucleo. Questa dovrebbe essere un'interazione a energia molto bassa (keV) e richiede una soglia di rilevamento bassa per essere sensibile. A causa della soglia di rilevamento necessariamente bassa, il numero di eventi in background rilevati è molto alto. La debole firma di una particella di materia oscura come un WIMP sarà mascherata dai molti diversi tipi di possibili eventi di fondo. Una tecnica per identificare questi eventi di materia non oscura è la discriminazione della forma dell'impulso (PSD), che caratterizza un evento basato sulla firma temporale della luce di scintillazione dall'argon liquido.

La PSD è possibile in un rivelatore di argon liquido perché le interazioni dovute a diverse particelle incidenti come elettroni , fotoni ad alta energia , alfa e neutroni creano diverse proporzioni di stati eccitati dei nuclei di argon che si rincorrono, questi sono noti come stati di singoletto e tripletto e decadono con durate caratteristiche rispettivamente di 6 ns e 1300 ns. Le interazioni da gamma ed elettroni producono stati eccitati principalmente triplette attraverso rinculi elettronici, mentre le interazioni neutroni e alfa producono stati eccitati principalmente singoletto attraverso rinculi nucleari. Si prevede che le interazioni WIMP-nucleone producano anche un segnale di tipo rinculo nucleare a causa della dispersione elastica della particella di materia oscura con il nucleo di argon.

Utilizzando la distribuzione del tempo di arrivo della luce per un evento, è possibile identificare la sua probabile fonte. Ciò viene fatto quantitativamente misurando il rapporto tra la luce misurata dai fotorilevatori in una finestra "prompt" (<60 ns) sulla luce misurata in una finestra "in ritardo" (<10.000 ns). In DEAP questo parametro è chiamato Fprompt. Gli eventi di tipo rinculo nucleare hanno valori Fprompt elevati (~ 0,7) mentre gli eventi di rinculo elettronico hanno un valore Fprompt basso (~ 0,3). A causa di questa separazione in Fprompt per eventi di tipo WIMP (Nuclear Recoil) e di sfondo (Electronic Recoil), è possibile identificare in modo univoco le sorgenti di sfondo più dominanti nel rivelatore.

Il background più abbondante in DEAP proviene dal decadimento beta dell'argon-39 che ha un'attività di circa 1 Bq / kg nell'argon atmosferico. La discriminazione degli eventi di fondo beta e gamma dai rinculi nucleari nella regione energetica di interesse (vicino a 20 keV di energia elettronica) deve essere migliore di 1 su 10 8 per sopprimere sufficientemente questi sfondi per una ricerca di materia oscura nell'argon atmosferico liquido.

DEAP-1

La prima fase del progetto DEAP, DEAP-1, è stata progettata per caratterizzare diverse proprietà dell'argon liquido, dimostrare la discriminazione della forma dell'impulso e perfezionare l'ingegneria. Questo rilevatore era troppo piccolo per eseguire ricerche sulla materia oscura. DEAP-1 ha utilizzato 7 kg di argon liquido come obiettivo per le interazioni WIMP. Due tubi fotomoltiplicatori (PMT) sono stati utilizzati per rilevare la luce di scintillazione prodotta da una particella che interagisce con l'argon liquido. Poiché la luce di scintillazione prodotta è di lunghezza d'onda corta (128 nm), è stata utilizzata una pellicola di spostamento della lunghezza d'onda per assorbire la luce di scintillazione ultravioletta e riemetterla nello spettro visibile (440 nm) consentendo alla luce di passare attraverso finestre ordinarie senza perdite e eventualmente essere rilevati dai PMT.

DEAP-1 ha dimostrato una buona discriminazione degli sfondi sulla superficie in base alla forma del polso e ha iniziato a operare presso SNOLAB. La posizione sotterranea profonda ha ridotto gli eventi di fondo cosmogenici indesiderati . DEAP-1 è stato eseguito dal 2007 al 2011, inclusi due cambiamenti nella configurazione sperimentale. DEAP-1 ha caratterizzato gli eventi in background, determinando i miglioramenti di progettazione necessari in DEAP-3600.

DEAP-3600

Il rilevatore DEAP-3600 è stato progettato per utilizzare 3600 kg di argon liquido, con un volume fiduciale di 1000 kg, il volume rimanente viene utilizzato come auto-schermatura e veto di fondo. Questo è contenuto in un vaso acrilico sferico di ~ 2 m di diametro , il primo del suo genere mai creato. Il recipiente acrilico è circondato da 255 tubi fotomoltiplicatori (PMT) ad alta efficienza quantica per rilevare la luce di scintillazione dell'argon. Il recipiente in acrilico è alloggiato in un guscio di acciaio inossidabile immerso in un serbatoio schermato di 7,8 m di diametro riempito con acqua ultra pura. L'esterno del guscio d'acciaio ha 48 PMT di veto aggiuntivi per rilevare la radiazione Cherenkov prodotta dalle particelle cosmiche in arrivo, principalmente muoni .

I materiali utilizzati nel rilevatore DEAP dovevano aderire a rigorosi standard di purezza radio per ridurre la contaminazione da eventi di fondo. Tutti i materiali utilizzati sono stati analizzati per determinare i livelli di radiazione presenti e i componenti del rivelatore interno avevano requisiti rigorosi per l' emanazione del radon , che emette radiazioni alfa dalle sue figlie di decadimento . Il recipiente interno è rivestito con materiale TPB di spostamento della lunghezza d'onda che è stato evaporato sotto vuoto sulla superficie. TPB è un materiale di spostamento della lunghezza d'onda comune utilizzato negli esperimenti con argon liquido e xeno liquido grazie alla sua rapida riemissione e all'elevata resa luminosa, con spettri di emissione con picco a 425 nm, nella regione di sensibilità per la maggior parte dei PMT.

La sensibilità proiettata di DEAP in termini di sezione trasversale del nucleo WIMP indipendente dallo spin è di 10 −46 cm 2 a 100 GeV / c 2 dopo tre anni di raccolta dati.

Istituzioni collaboratrici

Le istituzioni che collaborano includono:

Questa collaborazione beneficia in gran parte dell'esperienza acquisita da molti dei membri e delle istituzioni del progetto Sudbury Neutrino Observatory (SNO), che ha studiato i neutrini , un'altra particella debolmente interagente.

Stato di DEAP-3600

Dopo che la costruzione è stata completata, il rilevatore DEAP-3600 ha iniziato a raccogliere i dati di messa in servizio e calibrazione nel febbraio 2015 con lo spurgo di gas azoto nel rilevatore. Il riempimento del rilevatore è stato completato e l'acquisizione dei dati per la ricerca della materia oscura è stata avviata il 5 agosto 2016. Poco dopo il riempimento iniziale del rilevatore con argon liquido, il 17 agosto 2016 una guarnizione O-ring in butile si è guastata e ha contaminato l'argon. con 100 ppm di N 2 Il rivelatore è stato quindi ventilato e riempito di nuovo, ma questa volta fino a un livello di 3300 kg per evitare il ripetersi del cedimento del sigillo: questo secondo riempimento è stato completato nel novembre 2016. La prima ricerca di materia oscura i risultati con un'esposizione di 4,44 giorni dal riempimento iniziale sono stati pubblicati nell'agosto 2017, fornendo un limite di sezione trasversale di 1,2 × 10 −44 cm 2 per una massa WIMP di 100 GeV / c 2 .

Una migliore sensibilità alla materia oscura è stata raggiunta nel febbraio 2019, con un'analisi dei dati raccolti in 231 giorni dal secondo riempimento nel 2016-2017, fornendo un limite di sezione trasversale di 3,9 × 10 −45 cm 2 per un 100 GeV / c 2 WIMP massa. Questa analisi aggiornata ha dimostrato le migliori prestazioni mai ottenute con argon liquido alla soglia, per la tecnica di discriminazione della forma dell'impulso contro sfondi beta e gamma. La collaborazione ha anche sviluppato nuove tecniche per rifiutare sfondi rari di rinculo nucleare, utilizzando la distribuzione osservata della luce nello spazio e nel tempo dopo un evento di scintillazione.

A partire dal 2019, DEAP-3600 continua a cercare la materia oscura.

Riferimenti

link esterno