ArDM - ArDM

В ArDM (Темная материя аргона) Эксперимент - это физика элементарных частиц эксперимент на основе жидкости аргон детектор, предназначенный для измерения сигналов от WIMPs (Слабо взаимодействующие массивные частицы), которые, вероятно, составляют Темная материя во вселенной. Упругое рассеяние WIMPs от ядер аргона можно измерить, наблюдая свободные электроны от ионизация и фотоны из мерцание, которые образуются при взаимодействии ядра отдачи с соседними атомами. Сигналы ионизации и сцинтилляции могут быть измерены с помощью специальных методов считывания, которые составляют основную часть детектора.

Чтобы получить достаточно высокую целевую массу, в качестве материала мишени в жидкой фазе используется благородный газ аргон. Поскольку температура кипения аргона составляет 87 К при нормальном давлении, для работы детектора требуется криогенная система.

Экспериментальные цели

Детектор ArDM предназначен для прямого обнаружения сигналов от WIMP посредством упругого рассеяния на ядрах аргона. Во время рассеяния определенная энергия отдачи - обычно от 1 до 100 кэВ - передается от WIMP ядру аргона.

Неизвестно, как часто можно ожидать сигнала от взаимодействия WIMP-аргон. Эта скорость зависит от базовой модели, описывающей свойства WIMP. Один из самых популярных кандидатов в WIMP - это Самая легкая суперсимметричная частица (LSP) или нейтралино из суперсимметричные теории. Его поперечное сечение с нуклонами предположительно лежит между 10−12 pb и 10−6 pb, что делает взаимодействие вимпов с нуклонами редким явлением. Общая частота событий может быть увеличена за счет оптимизации целевых свойств, таких как увеличение целевой массы. Планируется, что детектор ArDM будет содержать примерно одну тонну жидкого аргона. Эта масса цели соответствует частоте событий приблизительно 100 событий в день на поперечном сечении 10−6 pb или 0,01 событий в день при 10−10 pb.

Частота небольших событий требует мощного подавления фона. Важный фон - наличие нестабильного 39Изотоп Ar в природном аргоне, сжиженном из атмосферы. 39Ар подвергается бета-распад с периодом полураспада 269 лет и конечной точкой бета-спектра 565 кэВ. Отношение ионизации к сцинтилляциям от электронного и гамма-взаимодействий отличается от того, которое дает рассеяние WIMP. В 39Таким образом, фон Ar хорошо различим с точным определением отношения ионизация / сцинтилляция. В качестве альтернативы рассматривается использование обедненного аргона из подземных скважин.

Нейтроны, испускаемые компонентами детектора и материалами, окружающими детектор, взаимодействуют с аргоном так же, как WIMP. Таким образом, нейтронный фон практически неразличим и должен быть уменьшен как можно лучше, например, путем тщательного выбора материалов детектора. Кроме того, необходима оценка или измерение оставшегося нейтронного потока.

Детектор планируется разместить под землей, чтобы избежать фонов, вызванных космические лучи.

Статус строительства

Детектор ArDM был собран и испытан в г. ЦЕРН в 2006 году. Надземные исследования оборудования и работоспособности детектора были выполнены перед его перемещением под землю в 2012 году в г. Подземная лаборатория Канфранка в Испании. Он был залит, сдан в эксплуатацию и испытан при комнатной температуре.[1] Во время пробега под землей в апреле 2013 года светоотдача была улучшена по сравнению с условиями на поверхности.

Планируются будущие эксперименты с холодным аргоном, а также дальнейшая разработка детекторов. Получение жидкого аргона запланировано на 2014 год.

Помимо версии на тонну, размер детектора может быть увеличен без принципиального изменения его технологии. Детектор жидкого аргона массой 10 тонн - это мыслимая возможность расширения для ArDM. Текущие эксперименты по обнаружению темной материи в масштабе от 1 до 100 кг с отрицательными результатами демонстрируют необходимость экспериментов в тонном масштабе.

Результаты и дальнейшие направления

Конструкция жидкого аргонового дьюара DarkSide-50, содержащего двухфазный ТПК.

Несмотря на изучение «темной» материи, будущее для детекторов темной материи кажется светлым. «Программа темной стороны» - это консорциум, который проводил и продолжает разрабатывать новые эксперименты, основанные на жидком конденсированном атмосферном аргоне (LAr) вместо ксенона.[2] В одном из недавних устройств Темной стороны, Dark Side-50 (DS-50), используется метод, известный как «временные проекционные камеры с двухфазным жидким аргоном (LAr TPC)», который позволяет трехмерное определение положений событий столкновения, созданных то электролюминесценция создается в результате столкновений аргона с частицами темной материи.[3] Программа «Темная сторона» опубликовала первые результаты своих исследований в 2015 году, которые пока являются наиболее чувствительными результатами для обнаружения темной материи на основе аргона.[4] Методы на основе LAr, используемые для будущих устройств, представляют собой альтернативу детекторам на основе ксенона и потенциально могут привести к появлению новых, более чувствительных многотонных детекторов в ближайшем будущем.[5]

Рекомендации

  1. ^ Бадерчер, А .; Bay, F .; Буржуа, Н .; Cantini, C .; Куриони, А .; Daniel, M .; Degunda, U .; Луиза, С. Ди; Epprecht, L .; Гендотти, А .; Horikawa, S .; Knecht, L .; Lussi, D .; Maire, G .; Montes, B .; Мерфи, S .; Natterer, G .; Николич, К .; Nguyen, K .; Periale, L .; Ravat, S .; Resnati, F .; Romero, L .; Rubbia, A .; Santorelli, R .; Sergiampietri, F .; Сгалаберна, Д .; Виант, Т .; Ву, С. (2013). «АрДМ: первые результаты подземного ввода в эксплуатацию». JINST. 8 (9): C09005. arXiv:1309.3992. Bibcode:2013JInst ... 8C9005B. Дои:10.1088 / 1748-0221 / 8/09 / C09005.
  2. ^ Росси, В .; Agnes, P .; Александр, Т .; Alton, A .; Arisaka, K .; Back, H.O .; Балдин, Б .; Biery, K .; Бонфини, Г. (2016-07-01). "Программа DarkSide". Сеть конференций EPJ. 121: 06010. Bibcode:2016EPJWC.12106010R. Дои:10.1051 / epjconf / 201612106010.
  3. ^ «Детектор DarkSide-50». darkside.lngs.infn.it. Получено 2017-06-02.
  4. ^ Сотрудничество DarkSide; Agnes, P .; Агостино, Л .; Альбукерке, И. Ф. М .; Александр, Т .; Alton, A. K .; Arisaka, K .; Back, H.O .; Балдин, Б. (2016-04-08). «Результаты первого использования аргона с низкой радиоактивностью в поисках темной материи». Физический обзор D. 93 (8): 081101. arXiv:1510.00702. Bibcode:2016ПхРвД..93х1101А. Дои:10.1103 / PhysRevD.93.081101. ISSN  2470-0010.
  5. ^ Гранди, Лука. "grandilab.uchicago: поиск темной материи с помощью технологии благородных жидкостей". grandilab.uchicago.edu. Получено 2017-06-02.

внешняя ссылка