АрДМ

Эксперимент ArDM , целью которого ( Темная материя аргона ) — это эксперимент по физике элементарных частиц , основанный на детекторе жидкого аргона было измерение сигналов от вимпов (слабо взаимодействующих массивных частиц), которые могут составлять темную материю во Вселенной. Упругое рассеяние вимпов на ядрах аргона можно измерить, наблюдая за свободными электронами от ионизации и фотонами от сцинтилляции , которые производятся ядром отдачи, взаимодействующим с соседними атомами. Сигналы ионизации и сцинтилляции можно измерять с помощью специальных методов считывания, которые составляют фундаментальную часть детектора.

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

Эксперимент ArDM завершился в 2019 году, когда сбор данных был остановлен, а аппаратура эксперимента выведена из эксплуатации. Аппаратура эксперимента ArDM затем была повторно использована для другого физического эксперимента, DArT (часть программы DarkSide), в подземной лаборатории Канфранка . ^[1]

ArDM не обнаружил сигналов частиц темной материи.

Обнаружение вимпов с помощью аргона

Детектор ArDM предназначен для прямого обнаружения сигналов от вимпов посредством упругого рассеяния на ядрах аргона. Во время рассеяния определенная энергия отдачи, обычно лежащая в пределах от 1 кэВ до 100 кэВ, предположительно передается от вимпа к ядру аргона.

Неизвестно, как часто можно ожидать сигнала от взаимодействия вимп-аргон (если вообще можно). Эта скорость зависит от свойств WIMP. Одним из самых популярных кандидатов на роль вимпа является легчайшая суперсимметричная частица (LSP) или нейтралино из суперсимметричных теорий . Его сечение с нуклонами предположительно лежит в пределах 10 ⁻¹² пб и 10 ⁻⁶ pb, что делает взаимодействие вимп-нуклона редким событием. Общую частоту событий можно увеличить за счет оптимизации целевых свойств, например увеличения целевой массы. Детектор ArDM планировалось содержать примерно одну тонну жидкого аргона. Эта целевая масса соответствовала частоте событий примерно 100 событий в день при поперечном сечении 10 ⁻⁶ пб или 0,01 события в день в 10 ⁻¹⁰ пб.

Небольшая частота событий требует мощного подавления фона. Важным фоном для детекторов на основе аргона является наличие нестабильного ³⁹Изотоп аргона в природном аргоне, сжиженном из атмосферы. ³⁹Ar подвергается бета-распаду с периодом полураспада 269 лет и конечной точкой бета-спектра при 565 кэВ. Соотношение ионизации и сцинтилляции в результате электронного и гамма-взаимодействия отличается от того, которое должно производить рассеяние вимпа. ³⁹Таким образом, фон Ar хорошо различим, что позволяет точно определить соотношение ионизация/сцинтилляция. В качестве альтернативы рассматривалось использование обедненного аргона из подземных скважин.

Нейтроны, испускаемые компонентами детектора и материалами, окружающими детектор, взаимодействуют с аргоном так же, как предполагаемые вимпы. Поэтому нейтронный фон практически неразличим, и его необходимо максимально уменьшить, например, путем тщательного выбора материалов детектора. Кроме того, необходима оценка или измерение остаточного нейтронного потока.

Детектор был установлен под землей, чтобы избежать фонов, создаваемых космическими лучами .

История

Детектор ArDM был собран и испытан в ЦЕРН в 2006 году. Наземные исследования оборудования и характеристик детектора были проведены перед тем, как его переместили под землю в 2012 году в подземную лабораторию Канфранк в Испании. Он был введен в эксплуатацию и испытан при комнатной температуре. ^[2] Во время подземного запуска в апреле 2013 года светоотдача была улучшена по сравнению с наземными условиями. Были запланированы прогоны холодного газа аргона, а также продолжение разработки детектора. Результаты по жидкому аргону были запланированы на 2014 год.

За пределами однотонной версии размер детектора можно увеличить без кардинального изменения его технологии. Десятитонный детектор жидкого аргона рассматривался как возможность расширения ArDM. Эксперименты по обнаружению темной материи массой от 1 до 100 кг с отрицательными результатами продемонстрировали необходимость экспериментов тоннового масштаба.

Будущие направления

Несмотря на изучение по своей сути «темной» материи, будущее разработки детекторов темной материи кажется светлым. «Программа Темной стороны», членом которой был ArDM, представляет собой консорциум, который проводил и продолжает разрабатывать новые эксперименты на основе конденсированного атмосферного аргона (LAr) вместо жидкого ксенона. ^[3] Один из недавних аппаратов Темной стороны, Темная сторона-50 (DS-50), использует метод, известный как «камеры временной проекции двухфазного жидкого аргона (LAr TPC)», который позволяет трехмерное определение положений событий столкновения, созданных электролюминесценция , создаваемая столкновениями аргона с частицами темной материи. ^[4] Программа Dark Side опубликовала свои первые результаты в 2015 году, которые на данный момент являются наиболее чувствительными результатами для обнаружения темной материи на основе аргона. ^[5] Методы на основе LAr, используемые в будущих устройствах, представляют собой альтернативу детекторам на основе ксенона и потенциально могут привести к созданию новых, более чувствительных многотонных детекторов в ближайшем будущем. ^[6]

Ссылки

^ https://lsc-canfranc.es/wp-content/uploads/2020/02/1906_ArDM_May2019_LSC_statusreport.pdf
^ Бадерчер, А.; Бэй, Ф.; Буржуа, Н.; Кантини, К.; Куриони, А.; Дэниел, М.; Дегунда, У.; Луиза, С. Ди; Эппрехт, Л.; Гендотти, А.; Хорикава, С.; Кнехт, Л.; Люсси, Д.; Мэр, Г.; Монтес, Б.; Мерфи, С.; Наттерер, Г.; Николич, К.; Нгуен, К.; Периале, Л.; Рават, С.; Реснати, Ф.; Ромеро, Л.; Рубия, А.; Санторелли, Р.; Серджампьетри, Ф.; Сгалаберна, Д.; Виант, Т.; Ву, С. (2013). «АрДМ: первые итоги подземных пусков». ДЖИНСТ . 8 (9):C09005. arXiv : 1309.3992 . Бибкод : 2013JInst...8C9005B . дои : 10.1088/1748-0221/8/09/C09005 . S2CID 118684007 .
^ Росси, Б.; Агнес, П.; Александр, Т.; Альтон, А.; Арисака, К.; Назад, ХО; Балдин Б.; Бири, К.; Бонфини, Дж. (01 июля 2016 г.). «Программа DarkSide» . Сеть конференций EPJ . 121 : 06010. Бибкод : 2016EPJWC.12106010R . doi : 10.1051/epjconf/201612106010 .
^ «Детектор DarkSide-50» . darkside.lngs.infn.it . Проверено 2 июня 2017 г.
^ Сотрудничество DarkSide; Агнес, П.; Агостино, Л.; Альбукерке, IFM; Александр, Т.; Альтон, АК; Арисака, К.; Назад, ХО; Балдин, Б. (08 апреля 2016 г.). «Результаты первого использования низкорадиоактивного аргона в поисках темной материи». Физический обзор D . 93 (8): 081101.arXiv : 1510.00702 . Бибкод : 2016PhRvD..93h1101A . дои : 10.1103/PhysRevD.93.081101 . ISSN 2470-0010 . S2CID 118655583 .
^ Гранди, Лука. «grandilab.uchicago: поиск темной материи с помощью технологии благородных жидкостей» . grandilab.uchicago.edu . Проверено 2 июня 2017 г.

Внешние ссылки

веб-сайт АрДМ

[1] ttps://lsc-canfranc.es/wp-content/uploads/2020/02/1906_ArDM_May2019_LSC_statusreport.pdf

[2] Бадерчер, А.; Бэй, Ф.; Буржуа, Н.; Кантини, К.; Куриони, А.; Дэниел, М.; Дегунда, У.; Луиза, С. Ди; Эппрехт, Л.; Гендотти, А.; Хорикава, С.; Кнехт, Л.; Люсси, Д.; Мэр, Г.; Монтес, Б.; Мерфи, С.; Наттерер, Г.; Николич, К.; Нгуен, К.; Периале, Л.; Рават, С.; Реснати, Ф.; Ромеро, Л.; Рубия, А.; Санторелли, Р.; Серджампьетри, Ф.; Сгалаберна, Д.; Виант, Т.; Ву, С. (2013). «АрДМ: первые итоги подземных пусков». ДЖИНСТ . 8 (9):C09005. arXiv : 1309.3992 . Бибкод : 2013JInst...8C9005B . дои : 10.1088/1748-0221/8/09/C09005 . S2CID 118684007 .

[3] Росси, Б.; Агнес, П.; Александр, Т.; Альтон, А.; Арисака, К.; Назад, ХО; Балдин Б.; Бири, К.; Бонфини, Дж. (01 июля 2016 г.). «Программа DarkSide» . Сеть конференций EPJ . 121 : 06010. Бибкод : 2016EPJWC.12106010R . doi : 10.1051/epjconf/201612106010 .

[4] «Детектор DarkSide-50» . darkside.lngs.infn.it . Проверено 2 июня 2017 г.

[5] Сотрудничество DarkSide; Агнес, П.; Агостино, Л.; Альбукерке, IFM; Александр, Т.; Альтон, АК; Арисака, К.; Назад, ХО; Балдин, Б. (08 апреля 2016 г.). «Результаты первого использования низкорадиоактивного аргона в поисках темной материи». Физический обзор D . 93 (8): 081101.arXiv : 1510.00702 . Бибкод : 2016PhRvD..93h1101A . дои : 10.1103/PhysRevD.93.081101 . ISSN 2470-0010 . S2CID 118655583 .

[6] Гранди, Лука. «grandilab.uchicago: поиск темной материи с помощью технологии благородных жидкостей» . grandilab.uchicago.edu . Проверено 2 июня 2017 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]