ЛЗ эксперимент

Эксперимент ЛЮКС-Цеплин (ЛЗ)
Эксперимент ЛЮКС-Цеплин (ЛЗ)
эксперимент
Страна	Соединенные Штаты
Состояние	Южная Дакота
Веб-сайт	Эксперимент LZ с темной материей

Эксперимент LUX-ZEPLIN (LZ) — это эксперимент следующего поколения по прямому обнаружению темной материи, целью которого является наблюдение рассеяния слабовзаимодействующих массивных частиц (WIMP) на ядрах. ^[1] Образована в 2012 году путем объединения групп LUX и ZEPLIN . В настоящее время это сотрудничество 30 институтов в США , Великобритании , Португалии и Южной Корее . Эксперимент расположен в Сэнфордском подземном исследовательском центре (SURF) в Южной Дакоте . ^[2] и управляется (Berkeley Lab) Министерства энергетики США (DOE) Национальной лабораторией Лоуренса Беркли .

В эксперименте используется сверхчувствительный детектор, изготовленный из 7 тонн жидкого ксенона, для поиска сигналов взаимодействия вимп-ядра. Это один из трех таких экспериментов, которые ведут к поиску прямого обнаружения вимпов с энергией выше 10 ГэВ/c. ²два других — эксперимент XENONnT и эксперимент PANDAX -4T.

Весной 2015 года LZ прошел «Шаг критического решения 1» или проверку CD-1 и стал официальным проектом Министерства энергетики. ^[3] Представители Министерства энергетики США 21 сентября 2020 г. официально подписали соглашение о завершении проекта LZ; Этап завершения проекта Министерства энергетики называется Критическим решением 4 или CD-4. ^[4]

LZ как низкофоновый детектор

Чтобы окончательно идентифицировать рассеяние вимпов-ядер, LZ должна иметь возможность наблюдать очень небольшие энерговыделения в своем активном объеме. Однако он также должен быть способен отличать истинное рассеяние вимпов от других взаимодействий, вызванных известными частицами. Примерами этих известных «фонов» являются взаимодействия гамма-лучей, вызванных следами радиоактивности в окружающей среде, взаимодействия нейтронов, образующихся в окружающей среде, и взаимодействия мюонов космических лучей, образующихся в верхних слоях атмосферы. Две цели поиска темной материи — минимизировать количество этих фоновых взаимодействий и иметь возможность определить, что они происходят из фона (в отличие от вимпов).

Во-первых, самый внутренний детектор состоит из двухфазной ксеноновой камеры временной проекции (TPC) . ^[5]^[6] Этот детектор является мишенью для рассеяния вимпов-ядер. Как обсуждается в следующем разделе, этот детектор может выполнять трехмерную реконструкцию положения взаимодействия в ксеноне. Это позволяет идентифицировать и отвергать фоновые взаимодействия, происходящие вблизи периферии (боков, сверху и снизу) детектора. Эти периферийные взаимодействия, скорее всего, вызваны внешними гамма-лучами или нейтронами, а также радиоактивными распадами следовых радионуклидов в компонентах детектора, составляющих ТПК и криостаты . Более того, относительно большая плотность жидкого ксенона позволяет ТПК в некоторой степени «самоэкранироваться»: гамма-лучи (нейтроны), попадающие в ТПК, могут пройти лишь примерно несколько сантиметров (10 сантиметров), прежде чем рассеяться и остановиться. В результате самый внутренний объем детектора практически свободен от многих из этих фонов. Поскольку он настолько тихий, этот самый внутренний или «доверительный» объем очень чувствителен к наблюдению рассеяния вимпов над другим фоном и является пространством, в котором LZ проводит поиск вимпов.

Далее TPC расположен внутри нескольких слоев активной и пассивной защиты для снижения интенсивности внешних гамма-лучей и нейтронов. TPC размещен во внутреннем криостате, который поддерживает температуру, необходимую для поддержания ксенона в жидкой фазе (приблизительно 178K). Этот внутренний криостат встроен в более крупный внешний криостат, который помогает ограничить передачу тепла в ксенон. Вне внешнего криостата находится набор акриловых резервуаров, в которых находится жидкий сцинтиллятор . Этот сцинтиллятор представляет собой жидкий алкилбензол (LAB), наполненный гадолинием для более эффективного захвата нейтронов. Если гамма-лучи или нейтроны однажды рассеиваются внутри TPC, а затем выходят, они, скорее всего, также передадут энергию в сцинтиллятор. Эти выбросы энергии сопровождаются испусканием оптических фотонов , которые могут быть обнаружены с помощью фотоумножительных трубок (ФЭУ), расположенных снаружи акриловых резервуаров. Наблюдая такой сигнал в совпадении с разбросом в TPC, становится возможным отвергнуть фоны в TPC, которые в противном случае могли бы выглядеть как разбросы WIMP. Это особенно важно для нейтронов, которые могут проникать дальше, чем гамма-лучи, и которые рассеиваются на ядре ксенона так же, как и ожидаются вимпы (а не на электронах атома ксенона). Матрица ФЭУ внешнего детектора расположена в большом резервуаре для воды. Вместе резервуар для воды и жидкий сцинтиллятор также обеспечивают значительную пассивную защиту от внешних гамма-лучей и нейтронов, останавливая подавляющее большинство из них до того, как они смогут проникнуть в TPC. Вся сборка расположена примерно в одной миле под землей, в пещере Дэвис в SURF. Это подземное расположение создает перекрывающую породу, которая значительно снижает скорость поступления мюонов космических лучей в TPC по сравнению с скоростью на поверхности Земли. В совокупности эти различные стратегии гарантируют, что LZ станет детектором, способным выполнять очень чувствительный поиск рассеяния темной материи на ядрах ксенона.

Внутренний детектор LZ: двухфазный TPC

Простая схема принципа работы двухфазного ксенонового ТПК. Во время взаимодействия излучаются свет S1 (зеленый) и свет S2 (синий), часть каждого из которых можно увидеть с помощью матриц ФЭУ в верхней и нижней части детектора. Обратите внимание, что эта диаграмма не масштабируется и что LZ имеет гораздо больше, чем 4 ФЭУ в каждом массиве.

Детектор, лежащий в основе LZ, представляет собой цилиндрическую двухфазную ксеноновую камеру временной проекции (TPC). ^[7] Он состоит из 7-тонной мишени из жидкого ксенона и небольшой области газообразного ксенона над ней. Принцип работы следующий. Когда происходит вимп или фоновое рассеяние, небольшое количество кинетической энергии передается ядру ксенона (или атомному электрону). Это заставляет атом ксенона рикошетить вокруг области вблизи места рассеяния, преобразуя свою энергию в производство мгновенных сцинтилляционных фотонов, освобожденных (ионизационных) электронов и тепла. Ряд мгновенных сцинтилляционных фотонов можно обнаружить с помощью фотоумножителей (ФЭУ) в верхней и нижней части детектора. Электроны ионизации дрейфуют вверх во внешнем электрическом поле и, достигнув поверхности жидкости, втягиваются в газ и создают свет электролюминесценции в более сильном электрическом поле. Эта электролюминесценция создает задержанный сигнал «S2». Создаваемые извне электрические поля создаются набором из четырех электродных сеток высокого напряжения : дна, катода, затвора и анода. ^[8]

Вместе S1 и S2 обеспечивают точную трехмерную реконструкцию положения взаимодействия в ксеноне. Поскольку S2 происходит очень близко к верхней решетке ФЭУ, он сам по себе может дать хорошее представление о том, где по XY (т.е. относительно оси детектора) произошло взаимодействие. Разница во времени между быстрым S1 и задержанным S2 является показателем глубины взаимодействия: используя скорость дрейфа электронов в ксеноне в заданном электрическом поле, можно преобразовать время дрейфа в физическую глубину или положение Z. В совокупности это положение XYZ позволяет определить тихий внутренний реперный объем для чувствительных поисков WIMP. Это также позволяет различать односайтовые взаимодействия, подобные вимп-подобным, и многосайтовые взаимодействия, подобные фоновым, например, от нейтронов или гамма-лучей.

Обратите внимание, что в отличие от других типов камер проекции времени, таких как те, которые используются в экспериментах с нейтрино, таких как MicroBooNE , сигнал ионизации здесь полностью улавливается с помощью света S2 — ток напрямую не измеряется электродами.

Поиски WIMP LZ

Верхние пределы упругих сечений вимп-нуклонов из выбранных экспериментов, согласно данным эксперимента LZ в июле 2023 года.

В июле 2022 года коллаборация LZ опубликовала в препринте свой первый верхний предел независимого от спина сечения рассеяния вимпа-нуклона, используя данные примерно за 60 дней жизни. ^[9]^[10] Будущие поиски направлены на дальнейшее изучение разброса WIMP с номинальным периодом поиска в 1000 дней.

28 июля 2023 года первые результаты поиска вимпов в рамках эксперимента LZ, ранее выпущенные в виде препринта, были опубликованы в журнале Physical Review Letters . ^[11] исключая поперечные сечения выше $9.2\times 10^{-48}cm^{2}$ при 36 ГэВ с уровнем достоверности 90%, ^[12] совместно в тот же день XENONnT опубликовал свои первые результаты, исключая приведенные выше сечения. $2.58\times 10^{-47}cm^{2}$ при 28 ГэВ с уровнем достоверности 90 % ^[13]

Ссылки

^ Туми, Эмили (3 февраля 2020 г.). «Новое поколение экспериментов с темной материей готовится к поиску неуловимой частицы» . Смитсоновский журнал . Проверено 11 апреля 2021 г.
^ LZ Лаборант (техник лаборатории материалов) Высшее образование «Школы горного дела и технологий Южной Дакоты»
^ Добро пожаловать на веб-страницу эксперимента с темной материей LZ.
^ «Важная веха в подземном эксперименте по поиску темной материи» .
^ Акериб, Д.С.; и др. (2020). «Эксперимент ЛЮКС-ЦЕПЛИН (ЛЗ)». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях. Раздел А: Ускорители, спектрометры, детекторы и сопутствующее оборудование . 953 : 163047. arXiv : 1910.09124 . дои : 10.1016/j.nima.2019.163047 . S2CID 204800748 .
^ Маунт, Би Джей; и др. (2017). «Отчет о техническом проектировании ЛЮКС-ЦЕПЛИН (ЛЗ)». arXiv : 1703.09144 [ physical.ins-det ].
^ Акериб, Д.С.; и др. (2020). «Эксперимент ЛЮКС-ЦЕПЛИН (ЛЗ)». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях. Раздел А: Ускорители, спектрометры, детекторы и сопутствующее оборудование . 953 : 163047. arXiv : 1910.09124 . дои : 10.1016/j.nima.2019.163047 . S2CID 204800748 .
^ Линехан, Р.; Маннино, РЛ; Фан, А.; Игнарра, CM; Луитц, С.; Скарпаас, К.; Шатт, Т.А.; Акериб, Д.С.; Алсум, Словакия; Андерсон, Ти Джей; Араужо, HM (11 мая 2022 г.). «Разработка и изготовление высоковольтных электродных решеток и области вывода электронов для двухфазной ксеноновой камеры времени проекции ЛЗ» . Ядерные приборы и методы в физических исследованиях. Раздел А: Ускорители, спектрометры, детекторы и сопутствующее оборудование . 1031 : 165955. arXiv : 2106.06622 . дои : 10.1016/j.nima.2021.165955 . ISSN 0168-9002 . S2CID 235422518 .
^ «Сверхчувствительный поиск темной материи не обнаружил никаких признаков этого вещества — пока» .
^ «Самый чувствительный в мире детектор темной материи начинает собирать данные | Imperial News | Имперский колледж Лондона» . Имперские новости . Проверено 7 июля 2022 г.
^ Дэй, Чарльз (28 июля 2023 г.). «Поиски слабаков продолжаются» . Физика . 16 : с106. arXiv : 2207.03764 . doi : 10.1103/PhysRevLett.131.041002 .
^ ЛЮКС-ЗЕПЛИН Коллаборация; Ольберс, Дж.; Акериб, Д.С.; Акерлоф, CW; Аль Мусалхи, АК; Олдер, Ф.; Алькахтани, А.; Алсум, СК; Амарасингхе, CS; Эймс, А.; Андерсон, Ти Джей; Ангелидес, Н.; Араужо, HM; Армстронг, Дж. Э.; Артурс, М. (28 июля 2023 г.). «Первые результаты поиска темной материи в ходе эксперимента LUX-ZEPLIN (LZ)» . Письма о физических отзывах . 131 (4): 041002. arXiv : 2207.03764 . doi : 10.1103/PhysRevLett.131.041002 .
^ КСЕНОН Сотрудничество; Априле, Э.; Абэ, К.; Агостини, Ф.; Ахмед Маулуд, С.; Альтюзер, Л.; Андрие, Б.; Анджелино, Э.; Ангевааре, младший; Анточи, ВК; Антон Мартин, Д.; Арнеодо, Ф.; Баудис, Л.; Бакстер, Алабама; Базык, М. (28 июля 2023 г.). «Первый поиск темной материи с помощью ядерной отдачи в результате эксперимента XENONnT» . Письма о физических отзывах . 131 (4): 041003.arXiv : 2303.14729 . doi : 10.1103/PhysRevLett.131.041003 .

Внешние ссылки

Эксперимент LZ с темной материей

[1] Туми, Эмили (3 февраля 2020 г.). «Новое поколение экспериментов с темной материей готовится к поиску неуловимой частицы» . Смитсоновский журнал . Проверено 11 апреля 2021 г.

[2] LZ Лаборант (техник лаборатории материалов) Высшее образование «Школы горного дела и технологий Южной Дакоты»

[3] Добро пожаловать на веб-страницу эксперимента с темной материей LZ.

[4] «Важная веха в подземном эксперименте по поиску темной материи» .

[5] Акериб, Д.С.; и др. (2020). «Эксперимент ЛЮКС-ЦЕПЛИН (ЛЗ)». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях. Раздел А: Ускорители, спектрометры, детекторы и сопутствующее оборудование . 953 : 163047. arXiv : 1910.09124 . дои : 10.1016/j.nima.2019.163047 . S2CID 204800748 .

[6] Маунт, Би Джей; и др. (2017). «Отчет о техническом проектировании ЛЮКС-ЦЕПЛИН (ЛЗ)». arXiv : 1703.09144 [ physical.ins-det ].

[7] Акериб, Д.С.; и др. (2020). «Эксперимент ЛЮКС-ЦЕПЛИН (ЛЗ)». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях. Раздел А: Ускорители, спектрометры, детекторы и сопутствующее оборудование . 953 : 163047. arXiv : 1910.09124 . дои : 10.1016/j.nima.2019.163047 . S2CID 204800748 .

[8] Линехан, Р.; Маннино, РЛ; Фан, А.; Игнарра, CM; Луитц, С.; Скарпаас, К.; Шатт, Т.А.; Акериб, Д.С.; Алсум, Словакия; Андерсон, Ти Джей; Араужо, HM (11 мая 2022 г.). «Разработка и изготовление высоковольтных электродных решеток и области вывода электронов для двухфазной ксеноновой камеры времени проекции ЛЗ» . Ядерные приборы и методы в физических исследованиях. Раздел А: Ускорители, спектрометры, детекторы и сопутствующее оборудование . 1031 : 165955. arXiv : 2106.06622 . дои : 10.1016/j.nima.2021.165955 . ISSN 0168-9002 . S2CID 235422518 .

[9] «Сверхчувствительный поиск темной материи не обнаружил никаких признаков этого вещества — пока» .

[10] «Самый чувствительный в мире детектор темной материи начинает собирать данные | Imperial News | Имперский колледж Лондона» . Имперские новости . Проверено 7 июля 2022 г.

[11] Дэй, Чарльз (28 июля 2023 г.). «Поиски слабаков продолжаются» . Физика . 16 : с106. arXiv : 2207.03764 . doi : 10.1103/PhysRevLett.131.041002 .

[12] ЛЮКС-ЗЕПЛИН Коллаборация; Ольберс, Дж.; Акериб, Д.С.; Акерлоф, CW; Аль Мусалхи, АК; Олдер, Ф.; Алькахтани, А.; Алсум, СК; Амарасингхе, CS; Эймс, А.; Андерсон, Ти Джей; Ангелидес, Н.; Араужо, HM; Армстронг, Дж. Э.; Артурс, М. (28 июля 2023 г.). «Первые результаты поиска темной материи в ходе эксперимента LUX-ZEPLIN (LZ)» . Письма о физических отзывах . 131 (4): 041002. arXiv : 2207.03764 . doi : 10.1103/PhysRevLett.131.041002 .

[13] КСЕНОН Сотрудничество; Априле, Э.; Абэ, К.; Агостини, Ф.; Ахмед Маулуд, С.; Альтюзер, Л.; Андрие, Б.; Анджелино, Э.; Ангевааре, младший; Анточи, ВК; Антон Мартин, Д.; Арнеодо, Ф.; Баудис, Л.; Бакстер, Алабама; Базык, М. (28 июля 2023 г.). «Первый поиск темной материи с помощью ядерной отдачи в результате эксперимента XENONnT» . Письма о физических отзывах . 131 (4): 041003.arXiv : 2303.14729 . doi : 10.1103/PhysRevLett.131.041003 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]