DEAP - DEAP

Эта статья об эксперименте с темной материей. Для вычислительной основы см. DEAP (программное обеспечение).
Извещатель DEAP-3600 на стадии строительства в 2014 г.

DEAP (Эксперимент с темной материей с использованием различения формы импульса аргона) является прямым темная материя поисковый эксперимент, в котором используется жидкость аргон как целевой материал. DEAP использует фоновую дискриминацию на основе характеристики мерцание форма импульса аргона. Детектор первого поколения (DEAP-1) при целевой массе 7 кг эксплуатировалась на Королевский университет для проверки работы дискриминации формы импульса при низких энергиях отдачи в жидком аргоне. DEAP-1 был перенесен в СНОЛАБ, На 2 км ниже поверхности Земли, в октябре 2007 года и данные сбора за 2011 год.

DEAP-3600 был разработан с 3600 кг активной массы жидкого аргона для достижения чувствительности к WIMP -нуклонные сечения рассеяния всего 10−46 см2 для частицы темной материи с массой 100 ГэВ / c2. Детектор DEAP-3600 завершил строительство и начал сбор данных в 2016 году. Инцидент с детектором привел к короткой паузе в сборе данных в 2016 году. По состоянию на 2019 год эксперимент собирает данные.

Чтобы достичь еще большей чувствительности к темной материи, Глобальное сотрудничество с аргоновой темной материей[1] был сформирован с учеными из DEAP, Темная сторона, ЧИСТЫЙ и ArDM эксперименты. Детектор с массой жидкого аргона более 20 тонн (DarkSide-20k) планируется к эксплуатации на Laboratori Nazionali del Gran Sasso.[2] Исследования и разработки направлены на создание детектора следующего поколения (АРГО) с массой мишени в несколько сотен тонн жидкого аргона, предназначенной для достижения нейтринного дна, планируемой к работе на СНОЛАБ из-за крайне низкого радиационного фона.

Сцинтилляционные свойства аргона и подавление фона

Поскольку жидкий аргон является сцинтилляционным материалом, частица, взаимодействуя с ним, излучает свет пропорционально энергии, выделяемой падающей частицей, это линейный эффект для низких энергий до закалка становится важным фактором. Взаимодействие частицы с аргоном вызывает ионизацию и отдачу на пути взаимодействия. Отдающиеся ядра аргона подвергаются рекомбинации или автолокализации, что в конечном итоге приводит к испусканию фотонов вакуумного ультрафиолета (ВУФ) с длиной волны 128 нм. Кроме того, жидкий аргон обладает уникальным свойством прозрачности для собственного сцинтилляционного света, что позволяет получать световые потоки в несколько десятков тысяч фотонов на каждый МэВ вложенной энергии.

Ожидается, что упругое рассеяние частицы темной материи вимпов на ядре аргона вызовет отдачу ядра. Ожидается, что это будет взаимодействие с очень низкой энергией (кэВ) и для того, чтобы быть чувствительным, требуется низкий порог обнаружения. Из-за обязательно низкого порога обнаружения количество обнаруживаемых фоновых событий очень велико. Слабая подпись частицы темной материи, такой как WIMP, будет замаскирована множеством различных типов возможных фоновых событий. Методом идентификации этих событий, не связанных с темной материей, является распознавание формы импульса (PSD), которое характеризует событие на основе временной характеристики сцинтилляционного света из жидкого аргона.

PSD возможен в детекторе жидкого аргона, потому что взаимодействия из-за различных падающих частиц, таких как электроны, фотоны высоких энергий, альфы, и нейтроны создают различные пропорции возбужденных состояний возвращающихся ядер аргона, они известны как синглет и триплетные состояния, и они распадаются с характерными временами жизни 6 нс и 1300 нс соответственно.[3] Взаимодействия от гамма-излучения и электронов создают в основном триплетные возбужденные состояния за счет отдачи электронов, в то время как нейтронные и альфа-взаимодействия создают в основном синглетные возбужденные состояния через ядерные отдачи. Ожидается, что взаимодействия вимпов с нуклонами также производят сигнал типа ядерной отдачи из-за упругого рассеяния частицы темной материи на ядре аргона.

Используя распределение времени прихода света для события, можно определить его вероятный источник. Это делается количественно путем измерения отношения света, измеренного фотодетекторами в «быстром» окне (<60 нс), к свету, измеренному в «позднем» окне (<10 000 нс). В DEAP этот параметр называется Fprompt. События типа ядерной отдачи имеют высокие значения Fprompt (~ 0,7), в то время как события электронной отдачи имеют низкое значение Fprompt (~ 0,3). Благодаря такому разделению в Fprompt для событий, подобных WIMP (ядерная отдача) и фоновых (электронная отдача), можно однозначно идентифицировать наиболее доминирующие источники фона в детекторе.[4]

Самый распространенный фон в DEAP происходит от бета-распада Аргон-39 который имеет активность примерно 1 Бк / кг в атмосферном аргоне.[5] Различение событий бета- и гамма-фона от ядер отдачи в интересующей энергетической области (около 20 кэВ энергии электронов) должно быть лучше, чем 1 из 10.8 для достаточного подавления этих фонов для поиска темной материи в жидком атмосферном аргоне.

DEAP-1

Первая стадия проекта DEAP, DEAP-1, была разработана для того, чтобы охарактеризовать несколько свойств жидкого аргона, продемонстрировать дискриминацию формы импульса и усовершенствовать конструкцию. Этот детектор был слишком мал для поиска темной материи. EAP-1 использовал 7 кг жидкого аргона в качестве мишени для взаимодействий вимпов. Два фотоумножители (ФЭУ) использовались для регистрации сцинтилляционного света, создаваемого частицей, взаимодействующей с жидким аргоном. Поскольку полученный сцинтилляционный свет имеет короткую длину волны (128 нм), для поглощения ультрафиолетового сцинтилляционного света и повторного излучения в видимом спектре (440 нм) использовалась пленка со сдвигом длины волны, позволяющая свету проходить через обычные окна без каких-либо потерь и в конечном итоге будут обнаружены ФЭУ.

DEAP-1 продемонстрировал хорошую избирательность фонов на поверхности по форме импульсов и начал работу в компании SNOLAB. Глубокое подземное расположение снижает нежелательные космогенный фоновые события. DEAP-1 работал с 2007 по 2011 год, включая два изменения в экспериментальной установке. DEAP-1 характеризует фоновые события, определяя улучшения дизайна, необходимые в DEAP-3600. [6]

DEAP-3600

Детектор DEAP-3600 был разработан для использования 3600 кг жидкого аргона с проверочным объемом 1000 кг, оставшийся объем используется в качестве самозащиты и фонового вето. Он заключен в сферической форме диаметром ~ 2 м. акрил судно, первое в своем роде из когда-либо созданных.[7] Акриловый сосуд окружен 255 фотоумножителями (ФЭУ) с высокой квантовой эффективностью для регистрации сцинтилляционного света аргона. Акриловый сосуд помещен в корпус из нержавеющей стали, погруженный в защитный резервуар диаметром 7,8 м, наполненный сверхчистой водой. На внешней стороне стальной оболочки имеется 48 дополнительных ФЭУ вето для обнаружения Черенков излучение от падающих космических частиц, в первую очередь мюоны.

Материалы, используемые в детекторе DEAP, должны были соответствовать строгим стандартам радиочистоты, чтобы уменьшить фоновое загрязнение. Все используемые материалы были проанализированы для определения уровней присутствующего излучения, а внутренние компоненты детектора предъявляли строгие требования к радон эманация, которая испускает альфа-излучение из распадаются дочери. Внутренний сосуд покрыт изменяющим длину волны материалом. TPB который напыляли на поверхность в вакууме.[8] TPB - это распространенный материал со смещением длины волны, используемый в экспериментах с жидким аргоном и жидким ксеноном, благодаря его быстрому переизлучению и высокому световому выходу со спектром излучения с пиком при 425 нм в области чувствительности большинства ФЭУ.

Прогнозируемая чувствительность DEAP по спин-независимому сечению WIMP-ядра составляет 10−46 см2 при 100 ГэВ / c2 после трех лет сбора данных.[6]

Сотрудничающие учреждения

Сотрудничающие учреждения включают:

Это сотрудничество во многом извлекает выгоду из опыта, накопленного многими членами и учреждениями на Нейтринная обсерватория Садбери (SNO) проект, который изучил нейтрино, еще одна слабо взаимодействующая частица.

Статус DEAP-3600

После завершения строительства в феврале 2015 года детектор DEAP-3600 начал принимать данные для ввода в эксплуатацию и калибровки с продувкой газообразным азотом в детекторе.[9] Заполнение детектора завершено, и 5 августа 2016 г. начат сбор данных для поиска темной материи.[10]Вскоре после первоначального заполнения детектора жидким аргоном 17 августа 2016 г. вышло из строя бутиловое уплотнительное кольцо, в результате чего аргон был загрязнен 100 ppm азота.2[7] Затем детектор был провентилирован и повторно заполнен, но на этот раз до уровня 3300 кг, чтобы избежать повторного отказа уплотнения: это второе заполнение было завершено в ноябре 2016 года. Результаты первого поиска темной материи с экспозицией 4,44 количество дней с момента первоначального заполнения было опубликовано в августе 2017 г., что дает предел поперечного сечения 1,2 × 10−44 см2 для 100 ГэВ / c2 WIMP масса.[10]

Повышенная чувствительность к темной материи была достигнута в феврале 2019 года с помощью анализа данных, собранных за 231 день жизни после второй заливки в 2016-2017 годах, что дало предел поперечного сечения 3,9 × 10.−45 см2 для 100 ГэВ / c2 WIMP масса.[11]Этот обновленный анализ продемонстрировал лучшие характеристики, когда-либо достигнутые в жидком аргоне на пороге, для метода дискриминации формы импульса на фоне бета- и гамма-излучения. Сотрудничество также разработало новые методы отклонения редких ядер отдачи фона, используя наблюдаемое распределение света в пространстве и времени после сцинтилляционного события.

По состоянию на 2019 год DEAP-3600 продолжает поиск темной материи.

Рекомендации

  1. ^ Формирование GADMC
  2. ^ Алсет, К. Э. (29 марта 2018 г.). «DarkSide-20k: 20-тонный двухфазный ТПМ LAr для прямого обнаружения темной материи на ЛНГС». Европейский физический журнал плюс. 133 (131): 131. arXiv:1707.08145. Bibcode:2018EPJP..133..131A. Дои:10.1140 / epjp / i2018-11973-4.
  3. ^ Хайндл, Т. (2010). «Сцинтилляция жидкого аргона». EPL. 91 (62002).
  4. ^ Буле; и другие. (2004). «Прямое обнаружение WIMP с использованием дискриминации по времени сцинтилляции в жидком аргоне». arXiv:Astro-ph / 0411358.
  5. ^ Сайт DEAP-1
  6. ^ а б Сотрудничество DEAP (2014). "DEAP-3600 Поиск темной материи". Международная конференция по физике высоких энергий (ICHEP 2014). 273-275: 340–346. arXiv:1410.7673. Bibcode:2014arXiv1410.7673D. Дои:10.1016 / j.nuclphysbps.2015.09.048.
  7. ^ а б DEAP Collaboration (2019). «Дизайн и конструкция детектора темной материи DEAP-3600». Физика астрономических частиц. 108: 1–23. arXiv:1712.01982. Bibcode:2019APh ... 108 .... 1A. Дои:10.1016 / j.astropartphys.2018.09.006.
  8. ^ Броерман, Б. (18 апреля 2017 г.). «Применение сдвигателя длины волны TPB на внутренней поверхности сферического акрилового сосуда DEAP-3600». JINST. 12 (4): P04017. arXiv:1704.01882. Bibcode:2017JInst..12P4017B. Дои:10.1088 / 1748-0221 / 12/04 / P04017.
  9. ^ Текущее состояние DEAP-3600. Ноя 2015
  10. ^ а б DEAP Collaboration (2018). «Первые результаты поиска темной материи DEAP-3600 с аргоном в SNOLAB». Письма с физическими проверками. 121 (7): 071801. arXiv:1707.08042. Bibcode:2017arXiv170708042D. Дои:10.1103 / PhysRevLett.121.071801. PMID  30169081.
  11. ^ Ajaj et al. (Сотрудничество DEAP), Р. (24 июля 2019 г.). «Поиск темной материи с 231-дневным воздействием жидкого аргона с помощью DEAP-3600 в SNOLAB». Физический обзор D. 100 (2): 022004. arXiv:1902.04048. Bibcode:2019ПхРвД.100б2004А. Дои:10.1103 / PhysRevD.100.022004.

внешняя ссылка