ЭДЕЛЬВЕЙС

ЭДЕЛЬВЕЙС ( E xpérience pour DE tecter L es W IMPs En Site Outerrain S , ) — эксперимент по поиску темной материи проводимый в подземной лаборатории Модана во Франции. В эксперименте используются криогенные детекторы , измеряющие как фононные , так и ионизационные сигналы, возникающие в результате взаимодействия частиц в кристаллах германия . Этот метод позволяет отличить события ядерной отдачи от событий отдачи электронов.

Проект EURECA — это предлагаемый будущий эксперимент с темной материей, в котором примут участие исследователи из EDELWEISS и CRESST по поиску темной материи.

Темная материя

Темная материя – это материал, который не излучает и не поглощает свет. Измерения кривых вращения спиральных галактик показывают, что они составляют большую часть массы галактик; а точные измерения космического микроволнового фонового излучения позволяют предположить, что на его долю приходится значительная часть плотности Вселенной.

Возможное объяснение темной материи исходит из физики элементарных частиц . WIMP ( слабо взаимодействующая массивная частица ) – общий термин для гипотетических частиц, которые взаимодействуют только посредством слабых ядерных и гравитационных сил . Эта теория предполагает, что наша галактика окружена темным ореолом из таких частиц. ЭДЕЛЬВЕЙС — это один из многих экспериментов по поиску темной материи, направленных на непосредственное обнаружение темной материи вимпа путем обнаружения упругого рассеяния вимпа на атоме в детекторе частиц. Поскольку скорость взаимодействия настолько низка, для этого требуются чувствительные детекторы, хорошая дискриминация фона и место глубоко под землей (чтобы уменьшить фон от космических лучей ).

Эксперимент

ЭДЕЛЬВЕЙС расположен в подземной лаборатории Модана, в автодорожном туннеле Фрежюс между Францией и Италией, на глубине 1800 метров над уровнем моря. экран толщиной 20 см Свинцовый снижает гамма-фон, а полиэтиленовый — поток нейтронов . Все материалы, находящиеся рядом с детекторами, проверяются на радиочистоту. Для охлаждения детекторов используется холодильник для разбавления , он построен в противоположной ориентации по отношению к большинству приборов: детекторы находятся вверху, а охлаждающий механизм внизу.

высокой чистоты, ЭДЕЛЬВЕЙС использует криогенные болометры из германия охлажденные до температуры 20 милликельвинов выше абсолютного нуля. результате взаимодействия частиц . Измерены сигналы фононов и ионизации, возникающие в Это позволяет отвергать фоновые события, поскольку события ядерной отдачи (вызванные вимпами или нейтронными взаимодействиями) производят гораздо меньшую ионизацию, чем события электронной отдачи (вызванные альфа-, бета- и гамма-излучением). Детекторы аналогичны тем, которые использовались в эксперименте CDMS . Одновременное обнаружение ионизации и тепла в полупроводниках при низкой температуре было оригинальной идеей Лоуренса М. Краусса , Марка Средницки и Фрэнка Вильчека . ^[1]

Основным ограничением ранних детекторов была проблема поверхностных событий. Из-за неполного сбора заряда взаимодействие частиц у поверхности кристалла не давало сигнала ионизации, поэтому отдачу электронов вблизи поверхности можно было принять за ядерную отдачу. Чтобы избежать этого, коллаборация разработала новые детекторы со встречно-цифровыми электродами. К ряду электродов прикладывают разные напряжения, поэтому направление электрического поля у поверхности кристалла различно, что позволяет отклонить более 99,5% поверхностных событий. ^[2]

Результаты

Результаты первой фазы эксперимента ( ЭДЕЛЬВЕЙС I ) были опубликованы в 2005 году, за исключением темной материи WIMP с сечением взаимодействия выше ≈10. ⁻⁶ pb (при ≈85 ГэВ). ^[3]^{: Рис. 15}

ЭДЕЛЬВЕЙС-II работал в 2009–2010 годах с 10 детекторами, то есть массой детектора 4 кг (при общей эффективной экспозиции 384 кг· сут ). ^[4] ограничивающая большая масса ^[4]^{: Рис. 5} и вимпы малой массы, ^[5] и аксионы. ^[6] Сечение 4,4 × 10 ⁻⁸ pb исключен при 90% CL для массы вимпа 85 ГэВ. (Чуть выше прогнозируемых результатов CDMS на рис. А.)

ЭДЕЛЬВЕЙС-III имел 40 детекторов. ^[6] ЭДЕЛЬВЕЙС-III провел первый научный запуск в 2014–2015 годах, результаты которого были опубликованы в 2016 году.

Работы по проектированию ЭВРИКА будут продолжены после запуска ЭДЕЛЬВЕЙС-III. Планируется, что ЭВРИКА начнет работу после 2017 года.

Сотрудничество

ЭДЕЛЬВЕЙС – это результат сотрудничества следующих организаций-членов:

CEA – Комиссия по атомной энергии

ИРФУ - Институт исследований фундаментальных законов Вселенной
ИРАМИС - Институт радиации материалов Сакле

НЦНИ – Национальный центр научных исследований

CSNSM - Центр ядерной спектрометрии и масс-спектрометрии, Орсе
IPNL - Институт ядерной физики Лиона
Институт NÉEL, Гренобль
IAS – Институт космической астрофизики , Париж

Учреждения за пределами Франции

Университет Карлсруэ , Германия
Исследовательский центр Карлсруэ , Германия
ОИЯИ – Объединенный институт ядерных исследований, Дубна, Россия
Оксфордский университет

Ссылки

^ Краусс, Л.; Средницкий, М.; Вильчек, Ф. (1986). «Ограничения Солнечной системы и признаки кандидатов в темную материю». Физический обзор D . 33 (8): 2079–2083. Бибкод : 1986ФРвД..33.2079К . doi : 10.1103/PhysRevD.33.2079 . ПМИД 9956878 .
^ Джулард, А. (2008). «Статус эксперимента ЭДЕЛЬВЕЙС-II». Журнал физики низких температур . 151 (3–4): 806–811. Бибкод : 2008JLTP..151..806J . дои : 10.1007/s10909-008-9742-5 . S2CID 123956512 .
^ Санглард, В.; и др. (Сотрудничество ЭДЕЛЬВЕЙС) (2005). «Окончательные результаты поиска темной материи ЭДЕЛЬВЕЙС-I с помощью криогенных детекторов тепла и ионизации Ge». Физический обзор D . 71 (12): 122002. arXiv : astro-ph/0503265 . Бибкод : 2005ФРвД..71л2002С . doi : 10.1103/PhysRevD.71.122002 . S2CID 119449115 .
^ Jump up to: ^а ^б Арменгауд, Э.; и др. (Коллаборация ЭДЕЛЬВЕЙС) (2011). «Окончательные результаты поиска WIMP EDELWEISS-II с использованием 4-килограммовой матрицы криогенных германиевых детекторов с чередующимися электродами». Буквы по физике Б. 702 (5): 329–335. arXiv : 1103.4070 . Бибкод : 2011PhLB..702..329E . дои : 10.1016/j.physletb.2011.07.034 . S2CID 118504484 .
^ Арменгауд, Э.; и др. (Коллаборация ЭДЕЛЬВЕЙС) (2012). «Поиск маломассивных вимпов с теплоионизационными детекторами ЭДЕЛЬВЕЙС-II». Физический обзор D . 86 (5): 051701. arXiv : 1207.1815 . Бибкод : 2012PhRvD..86e1701A . doi : 10.1103/PhysRevD.86.051701 . S2CID 119225855 .
^ Jump up to: ^а ^б Арменгауд, Э.; и др. (Коллаборация ЭДЕЛЬВЕЙС) (2013). «Аксионные поиски с помощью эксперимента ЭДЕЛЬВЕЙС-II». Журнал космологии и физики астрочастиц . 2013 (11): 067. arXiv : 1307.1488 . Бибкод : 2013JCAP...11..067A . дои : 10.1088/1475-7516/2013/11/067 . S2CID 118510427 .

Внешние ссылки

Домашняя страница сотрудничества ЭДЕЛЬВЕЙС
Домашняя страница сотрудничества EURECA. Архивировано 14 августа 2009 г. на Wayback Machine.

[Krauss-1] Краусс, Л.; Средницкий, М.; Вильчек, Ф. (1986). «Ограничения Солнечной системы и признаки кандидатов в темную материю». Физический обзор D . 33 (8): 2079–2083. Бибкод : 1986ФРвД..33.2079К . doi : 10.1103/PhysRevD.33.2079 . ПМИД 9956878 .

[2] Джулард, А. (2008). «Статус эксперимента ЭДЕЛЬВЕЙС-II». Журнал физики низких температур . 151 (3–4): 806–811. Бибкод : 2008JLTP..151..806J . дои : 10.1007/s10909-008-9742-5 . S2CID 123956512 .

[Sanglard2005-3] Санглард, В.; и др. (Сотрудничество ЭДЕЛЬВЕЙС) (2005). «Окончательные результаты поиска темной материи ЭДЕЛЬВЕЙС-I с помощью криогенных детекторов тепла и ионизации Ge». Физический обзор D . 71 (12): 122002. arXiv : astro-ph/0503265 . Бибкод : 2005ФРвД..71л2002С . doi : 10.1103/PhysRevD.71.122002 . S2CID 119449115 .

[Armengaud2011-4] Jump up to: ^а ^б Арменгауд, Э.; и др. (Коллаборация ЭДЕЛЬВЕЙС) (2011). «Окончательные результаты поиска WIMP EDELWEISS-II с использованием 4-килограммовой матрицы криогенных германиевых детекторов с чередующимися электродами». Буквы по физике Б. 702 (5): 329–335. arXiv : 1103.4070 . Бибкод : 2011PhLB..702..329E . дои : 10.1016/j.physletb.2011.07.034 . S2CID 118504484 .

[Armengaud2012-5] Арменгауд, Э.; и др. (Коллаборация ЭДЕЛЬВЕЙС) (2012). «Поиск маломассивных вимпов с теплоионизационными детекторами ЭДЕЛЬВЕЙС-II». Физический обзор D . 86 (5): 051701. arXiv : 1207.1815 . Бибкод : 2012PhRvD..86e1701A . doi : 10.1103/PhysRevD.86.051701 . S2CID 119225855 .

[Armengaud2013-6] Jump up to: ^а ^б Арменгауд, Э.; и др. (Коллаборация ЭДЕЛЬВЕЙС) (2013). «Аксионные поиски с помощью эксперимента ЭДЕЛЬВЕЙС-II». Журнал космологии и физики астрочастиц . 2013 (11): 067. arXiv : 1307.1488 . Бибкод : 2013JCAP...11..067A . дои : 10.1088/1475-7516/2013/11/067 . S2CID 118510427 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]