Криогенный поиск темной материи
Криогенный поиск темной материи ( CDMS ) — это серия экспериментов, предназначенных для непосредственного обнаружения частиц темной материи в форме слабо взаимодействующих массивных частиц (или вимпов) . Используя массив полупроводниковых детекторов при температурах милликельвина , CDMS иногда устанавливала наиболее чувствительные пределы взаимодействия темной материи вимпа с земными материалами (по состоянию на 2018 год пределы CDMS не являются самыми чувствительными). Первый эксперимент, CDMS I , был проведен в туннеле под кампусом Стэнфордского университета . За ним последовал эксперимент CDMS II на суданской шахте . Самый последний эксперимент, SuperCDMS (или SuperCDMS Soudan ), был расположен глубоко под землей в шахте Судан в северной Миннесоте и собирал данные с 2011 по 2015 год. Серию экспериментов продолжает SuperCDMS SNOLAB , эксперимент, расположенный на объекте SNOLAB недалеко от Садбери , Онтарио , Канада , строительство которого началось в 2018 году и ожидается, что сбор данных начнется в начале 2020-х годов.
Фон
[ редактировать ]Наблюдения за крупномасштабным строением Вселенной показывают, что материя агрегируется в очень крупные структуры, не успевшие сформироваться под действием собственной гравитации. Обычно считается, что какая-то форма недостающей массы ответственна за увеличение гравитационной силы на этих масштабах, хотя эта масса непосредственно не наблюдалась. Это проблема; Обычная материя в космосе будет нагреваться до тех пор, пока не начнет испускать свет, поэтому, если эта недостающая масса существует, обычно предполагается, что она находится в форме, которая обычно не наблюдается на Земле.
Со временем было выдвинуто несколько предложенных кандидатов на недостающую массу. Ранними кандидатами были тяжелые барионы , которые должны были быть созданы в результате Большого взрыва , но более поздние работы по нуклеосинтезу, похоже, исключили большинство из них. [1] Другим кандидатом являются новые типы частиц, известные как слабовзаимодействующие массивные частицы или «вимпы». Как следует из названия, вимпы слабо взаимодействуют с обычной материей, что объясняет, почему их нелегко увидеть. [1]
Таким образом, обнаружение вимпов представляет собой проблему; если вимпы очень слабо взаимодействуют, обнаружить их будет крайне сложно. Детекторы, такие как CDMS и подобные эксперименты, измеряют огромное количество взаимодействий в объеме своего детектора, чтобы обнаружить чрезвычайно редкие события вимп.
Технология обнаружения
[ редактировать ]Детекторы CDMS измеряют ионизацию и фононы, возникающие при взаимодействии каждой частицы в кристаллических подложках германия и кремния . [1] Эти два измерения определяют энергию, выделяемую в кристалле при каждом взаимодействии, а также дают информацию о том, какая частица вызвала событие. Отношение сигнала ионизации к сигналу фонона различается для взаимодействий частиц с атомными электронами («электронная отдача») и атомными ядрами («ядерная отдача»). Подавляющее большинство взаимодействий фоновых частиц представляют собой отдачу электронов, в то время как вимпы (и нейтроны ожидается, что ) будут вызывать ядерную отдачу. Это позволяет идентифицировать события рассеяния WIMP, даже если они редки по сравнению с подавляющим большинством нежелательных фоновых взаимодействий.
Из суперсимметрии вероятность спин-независимого взаимодействия между вимпом и ядром будет связана с количеством нуклонов в ядре. Таким образом, вимп с большей вероятностью будет взаимодействовать с германиевым детектором, чем с кремниевым детектором, поскольку германий является гораздо более тяжелым элементом. Нейтроны смогут взаимодействовать как с кремниевыми, так и с германиевыми детекторами с одинаковой вероятностью. Сравнивая скорости взаимодействия кремниевых и германиевых детекторов, CDMS может определить вероятность взаимодействий, вызванных нейтронами.
Детекторы CDMS представляют собой диски из германия или кремния, охлажденные до температуры милликельвина с помощью холодильника разбавления . Чрезвычайно низкие температуры необходимы для ограничения теплового шума, который в противном случае затенил бы фононные сигналы взаимодействия частиц. Обнаружение фононов осуществляется с помощью датчиков края сверхпроводящего перехода (TES), считываемых усилителями SQUID , а сигналы ионизации считываются с помощью усилителя на полевых транзисторах . Детекторы CDMS также предоставляют данные о форме фононного импульса, что имеет решающее значение для отклонения приповерхностных фоновых событий.
История
[ редактировать ]Болометрическое обнаружение нейтрино с помощью полупроводников при низкой температуре было впервые предложено Бласом Кабрерой , Лоуренсом М. Крауссом и Фрэнком Вильчеком . [2] аналогичный метод для обнаружения вимпов был предложен Марком Гудманом и Эдвардом Виттеном . [3]
CDMS Я собирал данные поиска WIMP на неглубоком подземном участке (называемом SUF, Стэнфордское подземное сооружение) в Стэнфордском университете в 1998–2002 годах. CDMS II работала (в сотрудничестве с Университетом Миннесоты ) на руднике Судан с 2003 по 2009 год (данные за 2006–2008 годы). [4] Новейший эксперимент SuperCDMS (или SuperCDMS Soudan) с чередующимися электродами, большей массой и еще лучшим подавлением фона собирал данные в Судане в 2011–2015 годах. Серия экспериментов продолжается с SuperCDMS SNOLAB, который в настоящее время (2018 г.) строится в SNOLAB и будет завершен в начале 2020-х годов.
Серия экспериментов также включает эксперимент CDMSlite , в котором использовались детекторы SuperCDMS в Судане в рабочем режиме (так называемом CDMSlite-режиме), который должен был быть чувствительным именно к вимпам малой массы. Поскольку в эксперименте CDMS используется несколько различных детекторных технологий, в частности, два типа детекторов на основе германия или кремния соответственно, эксперименты, полученные на основе некоторой конкретной конфигурации детекторов эксперимента CDMS и различных наборов данных, собранных таким образом, иногда данные имена, такие как CDMS Ge, CDMS Si, CDMS II Si и так далее.
Результаты
[ редактировать ]17 декабря 2009 г. коллаборация объявила о возможном обнаружении двух вимпов-кандидатов: одного 8 августа 2007 г., а другого 27 октября 2007 г. Из-за небольшого количества событий команда смогла исключить ложные срабатывания из фонового шума. например, столкновения нейтронов . Подсчитано, что такой шум будет вызывать два или более событий в 25% случаев. [5] Для уменьшения нейтронного фона были установлены полиэтиленовые поглотители. [6]
Анализ 2011 года с более низкими энергетическими порогами искал доказательства существования вимпов малой массы (M <9 ГэВ). Их пределы исключают намеки, заявленные новым германиевым экспериментом под названием CoGeNT и давними результатами ежегодной модуляции DAMA/NaI , DAMA/LIBRA . [7]
Дальнейший анализ данных, опубликованных в Physical Review Letters за май 2013 г., выявил 3 обнаружения вимпов с ожидаемым фоном 0,7 и массами, ожидаемыми от вимпов, включая нейтралино. Вероятность того, что это аномальный фоновый шум, составляет 0,19 %, что дает результату уровень достоверности 99,8 % (3 сигмы). Хотя это и не является убедительным доказательством вимпов, это придает теориям сильный вес. [8] Этот сигнал наблюдался в ходе эксперимента CDMS II, и его называют сигналом CDMS Si (иногда эксперимент также называют CDMS Si), поскольку он наблюдался кремниевыми детекторами.
Результаты поиска SuperCDMS с октября 2012 по июнь 2013 года были опубликованы в июне 2014 года, в них было обнаружено 11 событий в области сигнала для массы вимпа менее 30 ГэВ и установлен верхний предел для спин-независимого сечения, что противоречит недавнему сигналу малой массы CoGeNT. [9]
СуперКДМС СНОЛАБ
[ редактировать ]Для SNOLAB запланировано второе поколение SuperCDMS. [10] [11] Это расширение SuperCDMS Soudan во всех отношениях:
- Отдельные диски детектора имеют диаметр 100 мм/3,9 дюйма и толщину 33,3 мм/1,3 дюйма, что составляет 225% объема дисков диаметром 76,2 мм/3 дюйма и толщиной 25,4 мм/1 дюйм, изготовленных в Судане. [10] [11]
- Их больше, вмещается 31 «башня» по шесть дисков каждая, [12] : 7 хотя операция начнется всего с четырьмя башнями.
- Детектор лучше экранирован как за счет более глубокого расположения в СНОЛАБ, так и за счет большего внимания к радиочистоте при конструкции. [13] : 18
Увеличение массы детекторов не столь велико, поскольку около 25% детекторов будут изготовлены из кремния. [12] : 7 который весит всего 44% от этого веса. [14] : 1 Заполнение всех 31 башни при таком соотношении даст примерно 222 кг.
Хотя реализация проекта неоднократно откладывалась (ранее планировалось, что строительство начнется в 2014 году). [15] и 2016 год [13] : 18–25 ), он остается активным, [14] с выделенными площадями в SNOLAB и запланированным началом строительства в начале 2018 года. [10] : 9
Строительство SuperCDMS в SNOLAB началось в 2018 году, а эксплуатация началась в начале 2020-х годов. Бюджет проекта на тот момент составлял 34 миллиона долларов США. [16]
В мае 2021 года детектор SuperCDMS SNOLAB находился в стадии строительства, и продолжались ранние научные исследования (или создание прототипа, или предварительные исследования) с прототипом / испытательным оборудованием как на территории SNOLAB, так и в других местах. Ожидается, что полный детектор будет готов к сбору научных данных в конце 2023 года, а научные операции продлятся 4 года (с двумя отдельными запусками) с 2023 по 2027 год с возможным продлением и развитием после 2027 года. [17]
В мае 2022 года продолжалась установка детектора SuperCDMS SNOLAB, пусконаладочные работы планировалось начать в 2023 году. Первый научный запуск с полной полезной нагрузкой детектора состоится в начале 2024 года, а первые результаты - в начале 2025 года. [18]
В июне 2023 года полным ходом шла установка SuperCDMS SNOLAB. Ожидалось, что ввод в эксплуатацию начнется в 2024 году. [19]
предложение ГЕОДМ
[ редактировать ]Предполагается третье поколение SuperCDMS. [10] хотя все еще находится на ранней стадии планирования. GEODM ( Германиевая обсерватория темной материи ) с массой детектора около 1500 кг проявила интерес к локации SNOLAB «Криопит». [20]
Увеличение массы детектора делает его более чувствительным только в том случае, если обнаружение нежелательного фона также не увеличивается, поэтому каждое поколение должно быть более чистым и лучше экранированным, чем предыдущее. Целью такого десятиэтапного строительства является разработка необходимых методов защиты перед завершением проекта GEODM.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с «WIMP Dark Matter». Архивировано 1 июня 2002 г. в Wayback Machine , Обзор CDMSII , Калифорнийский университет, Беркли.
- ^ Б. Кабрера ; Л. М. Краусс ; Ф. Вильчек (июль 1985 г.), «Болометрическое обнаружение нейтрино», Phys. Преподобный Летт. , 55 (1): 25–28, Bibcode : 1985PhRvL..55...25C , doi : 10.1103/PhysRevLett.55.25 , PMID 10031671
- ^ М.В. Гудман; Э. Виттен (15 июня 1985 г.), «Обнаруживаемость некоторых кандидатов в темную материю», Phys. Rev. D , 31 (12): 3059–3063, Bibcode : 1985PhRvD..31.3059G , doi : 10.1103/PhysRevD.31.3059 , PMID 9955633
- ^ Анантасвами, Анил (2 марта 2010 г.). Грань физики: путешествие к крайностям Земли, чтобы раскрыть тайны Вселенной . Хм. ISBN 978-0-547-48846-2 .
- ^ «Последние результаты в поисках темной материи, четверг, 17 декабря 2009 г.». Архивировано 18 июня 2010 г., на Wayback Machine.
- ^ «Криостат КДМС без детекторов» . Архивировано из оригинала 18 августа 2000 г. Проверено 23 сентября 2011 г.
- ^ Сотрудничество CDMS (21 апреля 2011 г.). «Результаты низкоэнергетического анализа данных CDMS II по германию». Письма о физических отзывах . 106 (13): 131302. arXiv : 1011.2482 . Бибкод : 2011PhRvL.106m1302A . дои : 10.1103/PhysRevLett.106.131302 . ПМИД 21517371 . S2CID 9879642 .
- ^ Сотрудничество CDMS (4 мая 2013 г.). «Результаты поиска темной материи с использованием кремниевых детекторов CDMS II». Письма о физических отзывах . 111 (25): 251301. arXiv : 1304.4279 . Бибкод : 2013PhRvL.111y1301A . doi : 10.1103/PhysRevLett.111.251301 . ПМИД 24483735 . S2CID 3073653 .
- ^ Аньезе, Р.; Андерсон, Эй Джей; Асаи, М.; Балакишиева Д.; Басу Тхакур, Р.; Бауэр, Д.А.; Бити, Дж.; Биллард, Дж.; Боргланд, А.; Боулз, Массачусетс; Брандт, Д.; Бринк, Польша; Банкер, Р.; Кабрера, Б.; Колдуэлл, DO; Сердено, генеральный директор; Чагани, Х.; Чен, Ю.; Черри, М.; Кули, Дж.; Корнелл, Б.; Крюдсон, Швейцария; Кушман, П.; Даал, М.; Девани, Д.; Ди Стефано, PCF; Сильва, Э. До Коуто Э.; Даути, Т.; Эстебан, Л.; и др. (20 июня 2014 г.). «Поиск маломассивных WIMP с помощью SuperCDMS». Физ. Преподобный Летт . 112 (24): 241302. arXiv : 1402.7137 . Бибкод : 2014PhRvL.112x1302A . doi : 10.1103/PhysRevLett.112.241302 . hdl : 1721.1/88645 . ПМИД 24996080 . S2CID 119066853 .
- ^ Jump up to: а б с д Кушман, Присцилла (22 июля 2012 г.), «Поиск криогенной темной материи: состояние и планы на будущее» (PDF) , конференция IDM
- ^ Jump up to: а б Сааб, Тарек (01 августа 2012 г.), «Поиск темной материи SuperCDMS» (PDF) , Летний институт SLAC 2012 г. , Национальная ускорительная лаборатория SLAC, заархивировано из оригинала (PDF) 24 сентября 2015 г. , получено 11 2012 г. -28 ( презентация )
- ^ Jump up to: а б Рау, Вольфганг (25 июля 2017 г.). SuperCDMS SNOLAB — Статус и планы . XV Международная конференция по проблемам астрочастиц и подземной физики (ТАУП 2017) . Садбери , Канада.
- ^ Jump up to: а б Бринк, Пол (25 июня 2015 г.). Результаты SuperCDMS и планы SNOLAB . 11-й семинар в Патрах по аксионам, WIMP и WISP . Сарагоса , Испания.
- ^ Jump up to: а б Аньезе, Р.; и др. (Сотрудничество SuperCDMS) (07.04.2017). «Прогнозируемая чувствительность эксперимента SuperCDMS SNOLAB» (PDF) . Физический обзор D . 95 (8): 082002. arXiv : 1610.00006 . Бибкод : 2017ФРвД..95х2002А . doi : 10.1103/PhysRevD.95.082002 . hdl : 1721.1/109800 . S2CID 32272925 . Архивировано из оригинала (PDF) 22 октября 2017 г. Проверено 22 октября 2017 г.
- ^ «Эксперимент с темной материей второго поколения приближается к SNOLAB» (Пресс-релиз). СНОЛАБ. 18 июля 2014 г. Архивировано из оригинала 30 марта 2019 г. Проверено 18 сентября 2014 г.
- ^ «Начинается строительство эксперимента с темной материей SuperCDMS» .
- ^ «ЦЕРН» (PDF) .
- ^ «Сэнфордская лаборатория» (PDF) .
- ^ «Индико» (PDF) .
- ^ Голвала, Сунил (15 августа 2011 г.). Интерес GEODM к криопиту SNOLAB (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 4 марта 2016 г. Проверено 7 декабря 2015 г.
Внешние ссылки
[ редактировать ]| Формы темная материя |  | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Гипотетические частицы | |||||||
| Теории и объекты |
| ||||||
| Поиск эксперименты |
| ||||||
| Потенциальные темные галактики | |||||||
| Связанный | |||||||
