DEAP

Детектор ДЕАП-3600 в процессе строительства в 2014 г.

DEAP ( эксперимент по темной материи с использованием распознавания формы импульса аргона ) — это эксперимент по прямому поиску темной материи используется жидкий аргон , в котором в качестве целевого материала . DEAP использует распознавание фона на основе характерной формы сцинтилляционного импульса аргона. Детектор первого поколения ( DEAP-1 ) с массой мишени 7 кг использовался в Королевском университете для проверки эффективности распознавания формы импульса при низких энергиях отдачи в жидком аргоне. Затем в октябре 2007 года DEAP-1 был перенесен на SNOLAB , на глубину 2 км под поверхностью Земли, и собирал данные до 2011 года.

DEAP-3600 был разработан с массой активного жидкого аргона 3600 кг для достижения чувствительности к сечениям рассеяния WIMP -нуклонов всего в 10 ⁻⁴⁶ см ² для частицы темной материи с массой 100 ГэВ/c ². Детектор DEAP-3600 завершил строительство и начал сбор данных в 2016 году. Инцидент с детектором привел к небольшой паузе в сборе данных в 2016 году. По состоянию на 2019 год в эксперименте ведется сбор данных.

Чтобы достичь еще большей чувствительности к темной материи, Global Argon Dark Matter Collaboration ^[1] была основана учеными из экспериментов DEAP, DarkSide , CLEAN и ArDM . Детектор с массой жидкого аргона более 20 тонн ( DarkSide-20k ) планируется к эксплуатации в Laboratori Nazionali del Gran Sasso . ^[2] Научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы направлены на создание детектора следующего поколения ( АРГО ) с целевой массой в несколько сотен тонн жидкого аргона, предназначенного для достижения нейтринного пола, который планируется использовать в SNOLAB из-за его чрезвычайно низкого радиационного фона.

Свойства сцинтилляции аргона и подавление фона

Поскольку жидкий аргон представляет собой сцинтилляционный материал, частица, взаимодействующая с ним, излучает свет пропорционально энергии, выделяемой падающей частицей, это линейный эффект для низких энергий, прежде чем гашение становится основным фактором, способствующим этому. Взаимодействие частицы с аргоном вызывает ионизацию и откат по пути взаимодействия. Отталкивающиеся ядра аргона подвергаются рекомбинации или самозахвату, что в конечном итоге приводит к излучению фотонов вакуумного ультрафиолета (ВУФ) с длиной волны 128 нм. Кроме того, жидкий аргон обладает уникальным свойством прозрачности для собственного сцинтилляционного света, что позволяет получать световой выход в десятки тысяч фотонов на каждый МэВ переданной энергии.

Ожидается, что упругое рассеяние частицы темной материи вимпа на ядре аргона приведет к отдаче ядра. Ожидается, что это будет взаимодействие с очень низкой энергией (кэВ), и для обеспечения чувствительности требуется низкий порог обнаружения. Из-за обязательно низкого порога обнаружения количество обнаруженных фоновых событий очень велико. Слабый след частицы темной материи, такой как вимп, будет замаскирован 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 жидкого аргона.

PSD возможна в детекторе жидкого аргона, потому что взаимодействия из-за различных падающих частиц, таких как электроны , фотоны высоких энергий , альфа-излучения и нейтроны, создают разные пропорции возбужденных состояний отдающихся ядер аргона, они известны как синглетные и триплетные состояния, и они распадаются. с характерным временем жизни 6 нс и 1300 нс соответственно. ^[3] Взаимодействия гамма-излучения и электронов создают в основном триплетные возбужденные состояния за счет электронной отдачи, тогда как нейтронные и альфа-взаимодействия создают в основном синглетные возбужденные состояния за счет ядерной отдачи. Ожидается, что взаимодействия вимп-нуклона также производят сигнал типа ядерной отдачи из-за упругого рассеяния частицы темной материи на ядре аргона.

Используя распределение света по времени прибытия 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), тогда как события электронной отдачи имеют низкое значение Fprompt (~ 0,3). Благодаря такому разделению в Fprompt событий, подобных WIMP (ядерная отдача) и фоновых (электронная отдача), можно однозначно идентифицировать наиболее доминирующие источники фона в детекторе. ^[4]

Самый обильный фон DEAP возникает в результате бета-распада аргона-39 , активность которого в атмосферном аргоне составляет примерно 1 Бк/кг. ^[5] Дискриминация бета- и гамма-фоновых событий от ядерных отдач в интересующей энергетической области (около 20 кэВ энергии электронов) должна быть лучше, чем 1 из 10. ⁸ в достаточной степени подавить эти фоны для поиска темной материи в жидком атмосферном аргоне.

ДЕАП-1

Первый этап проекта DEAP, DEAP-1, был разработан для того, чтобы охарактеризовать некоторые свойства жидкого аргона, продемонстрировать распознавание формы импульса и усовершенствовать технологию. Этот детектор был слишком мал для поиска темной материи.DEAP-1 использовал 7 кг жидкого аргона в качестве мишени для взаимодействий WIMP. Две фотоумножительные трубки (ФЭУ) использовались для обнаружения сцинтилляционного света, создаваемого частицей, взаимодействующей с жидким аргоном. Поскольку производимый сцинтилляционный свет имеет короткую длину волны (128 нм), для поглощения ультрафиолетового сцинтилляционного света и повторного излучения в видимом спектре (440 нм) использовалась пленка, смещающая длину волны, что позволяло свету проходить через обычные окна без каких-либо потерь и в конечном итоге будут обнаружены ГУП.

DEAP-1 продемонстрировал хорошее различение фонов на поверхности по форме импульса и начал работу в SNOLAB. Глубокое подземное расположение уменьшило нежелательные космогенные фоновые события. DEAP-1 работал с 2007 по 2011 год, включая два изменения в экспериментальной установке. DEAP-1 характеризовал фоновые события, определяя улучшения конструкции, необходимые в DEAP-3600. ^[6]

ДЕАП-3600

Детектор DEAP-3600 рассчитан на использование 3600 кг жидкого аргона, при контрольном объеме 1000 кг, оставшийся объем используется в качестве самозащиты и фонового вето. Он содержится в сферическом акриловом сосуде диаметром около 2 м, первом когда-либо созданном в своем роде. ^[7] Акриловый сосуд окружен 255 фотоумножителями (ФЭУ) с высокой квантовой эффективностью для обнаружения 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 стального корпуса имеются дополнительные 48 ФЭУ вето для обнаружения черенковского излучения, создаваемого падающими космическими частицами, в первую очередь мюонами .

Материалы, используемые в детекторе DEAP, должны были соответствовать строгим стандартам радиочистоты, чтобы уменьшить загрязнение фоновыми событиями. Все использованные материалы были проанализированы для определения уровней присутствующего излучения, а внутренние компоненты детектора предъявляли строгие требования к излучению радона , который испускает альфа-излучение от своих дочерних элементов распада . Внутренний сосуд покрыт сдвигающим длину волны материалом TPB , который был напылен на поверхность в вакууме. ^[8] TPB является распространенным материалом со сдвигом длины волны, используемым в экспериментах с жидким аргоном и жидким ксеноном, благодаря его быстрому переизлучению и высокому световому выходу, с пиком спектра излучения при 425 нм, что находится в области чувствительности для большинства ФЭУ.

Прогнозируемая чувствительность DEAP с точки зрения спин-независимого сечения вимп-ядра составляет 10 ⁻⁴⁶ см ² при 100 ГэВ/c ² после трех лет сбора данных. ^[6]

Сотрудничающие учреждения

Сотрудничающие учреждения включают:

Это сотрудничество во многом основано на опыте, полученном многими членами и учреждениями в рамках проекта Нейтринной обсерватории Садбери (SNO), которая изучала нейтрино , еще одну слабо взаимодействующую частицу.

Статус DEAP-3600

После завершения строительства в феврале 2015 года детектор DEAP-3600 приступил к приему пуско-наладочных и калибровочных данных с продувкой детектора газообразным азотом. ^[9] 5 августа 2016 года было завершено заполнение детектора и начат сбор данных для поиска темной материи. ^[10]Вскоре после первоначального заполнения детектора жидким аргоном, 17 августа 2016 г., бутиловое уплотнительное кольцо вышло из строя и привело к загрязнению аргона 100 ppm N _{2 .}^[7] Затем детектор продули и снова наполнили, но на этот раз до уровня 3300 кг, чтобы избежать повторного отказа уплотнения: второе заполнение было завершено в ноябре 2016 года. Первые результаты поиска темной материи с экспозицией 4,44 живые дни с момента первоначального заполнения были опубликованы в августе 2017 года, что дает предел сечения 1,2 × 10. ⁻⁴⁴ см ² для энергии 100 ГэВ/c ² ВИМП масса. ^[10]

Улучшенная чувствительность к темной материи была достигнута в феврале 2019 года за счет анализа данных, собранных за 231 живой день со второго заполнения в 2016-2017 годах, что дало предел сечения 3,9 × 10. ⁻⁴⁵ см ² для энергии 100 ГэВ/c ² ВИМП масса. ^[11]Этот обновленный анализ продемонстрировал лучшие результаты, когда-либо достигнутые в жидком аргоне на пороге, для метода распознавания формы импульса на бета- и гамма-фоне. В рамках сотрудничества также были разработаны новые методы устранения редких фонов ядерной отдачи, используя наблюдаемое распределение света в пространстве и времени после сцинтилляционного события.

В январе 2022 года эксперимент опубликовал свои результаты, устанавливающие ограничения для темной материи с массой планковского масштаба 8,3 × 10. ⁶ ГэВ/c ² и 1,2×10 ¹⁹ ГэВ/c ² и сечение от 1×10 ^-23 см ² до 2,4×10 ^-18 см ². Это были первые результаты исследования темной материи в масштабе сверхтяжелой массы. ^[12]

Эксперимент DEAP-3600 в настоящее время (по состоянию на июнь 2024 года) проходит модернизацию, и команда будет эксплуатировать его еще пару лет с еще большей чувствительностью к темной материи. ^[13]

Ссылки

^ «Формирование ГАМК» . Архивировано из оригинала 8 августа 2019 г. Проверено 8 августа 2019 г.
^ Аалсет, CE (29 марта 2018 г.). «DarkSide-20k: 20-тонный двухфазный LAr TPC для прямого обнаружения темной материи на СПГ». Европейский физический журнал Плюс . 133 (131): 131. arXiv : 1707.08145 . Бибкод : 2018EPJP..133..131A . дои : 10.1140/epjp/i2018-11973-4 . S2CID 119067979 .
^ Хайндл, Т. (2010). «Сцинтилляция жидкого аргона». ЭПЛ . 91 (62002): 62002.arXiv : 1511.07718 . Бибкод : 2010EL.....9162002H . дои : 10.1209/0295-5075/91/62002 . S2CID 55110486 .
^ Буле; и др. (2004). «Прямое обнаружение вимпов с использованием дискриминации по времени сцинтилляции в жидком аргоне». arXiv : astro-ph/0411358 .
^ «Сайт ДЕАП-1» . Архивировано из оригинала 2 апреля 2009 г. Проверено 8 марта 2008 г.
^ Jump up to: ^а ^б Сотрудничество DEAP (2014). «DEAP-3600 Поиск темной материи». Международная конференция по физике высоких энергий (ИЧЭП 2014) . 273–275: 340–346. arXiv : 1410.7673 . Бибкод : 2014arXiv1410.7673D . doi : 10.1016/j.nuclphysbps.2015.09.048 . S2CID 55008520 .
^ Jump up to: ^а ^б Сотрудничество DEAP (2019). «Проектирование и конструкция детектора темной материи DEAP-3600». Астрофизика частиц . 108 : 1–23. arXiv : 1712.01982 . Бибкод : 2019APh...108....1A . doi : 10.1016/j.astropartphys.2018.09.006 . S2CID 119029164 .
^ Броерман, Б. (18 апреля 2017 г.). «Применение преобразователя длины волны TPB на внутренней поверхности сферического акрилового сосуда DEAP-3600». ДЖИНСТ . 12 (4): P04017. arXiv : 1704.01882 . Бибкод : 2017JInst..12P4017B . дои : 10.1088/1748-0221/12/04/P04017 . S2CID 118925932 .
^ Текущий статус DEAP-3600. ноябрь 2015 г.
^ Jump up to: ^а ^б Сотрудничество DEAP (2018). «Первые результаты поиска темной материи DEAP-3600 с аргоном в SNOLAB». Письма о физических отзывах . 121 (7): 071801. arXiv : 1707.08042 . Бибкод : 2017arXiv170708042D . doi : 10.1103/PhysRevLett.121.071801 . ПМИД 30169081 . S2CID 206315242 .
^ Аджадж и др. (Сотрудничество DEAP), Р. (24 июля 2019 г.). «Поиск темной материи при 231-дневном воздействии жидкого аргона с помощью DEAP-3600 в SNOLAB». Физический обзор D . 100 (2): 022004. arXiv : 1902.04048 . Бибкод : 2019PhRvD.100b2004A . doi : 10.1103/PhysRevD.100.022004 . S2CID 119342085 .
^ Адхикари, П.; Аджадж, Р.; Альпизар-Венегас, М.; Оти, диджей; Бенмансур, Х.; Бина, CE; Бонивенто, В.; Буле, МГ; Кадедду, М.; Кай, Б.; Карденас-Монтес, М. (05 января 2022 г.). «Первые ограничения прямого обнаружения темной материи массы планковского масштаба с сигнатурами множественного рассеяния с использованием детектора DEAP-3600» . Письма о физических отзывах . 128 (1): 011801. arXiv : 2108.09405 . Бибкод : 2022PhRvL.128a1801A . doi : 10.1103/PhysRevLett.128.011801 . ISSN 0031-9007 . ПМИД 35061499 . S2CID 237266740 .
^ «Эксперимент в SNOLAB достиг мирового результата в поисках темной материи» . Исследовать . Проверено 3 февраля 2022 г.

Внешние ссылки

Сайт ДЕАП-3600
Веб-сайт проекта DEAP-1. Архивировано 2 апреля 2009 г. на Wayback Machine.
Сайт СНОЛАБ
эксперимент СНО

[1] «Формирование ГАМК» . Архивировано из оригинала 8 августа 2019 г. Проверено 8 августа 2019 г.

[ds20k-2] Аалсет, CE (29 марта 2018 г.). «DarkSide-20k: 20-тонный двухфазный LAr TPC для прямого обнаружения темной материи на СПГ». Европейский физический журнал Плюс . 133 (131): 131. arXiv : 1707.08145 . Бибкод : 2018EPJP..133..131A . дои : 10.1140/epjp/i2018-11973-4 . S2CID 119067979 .

[scint-3] Хайндл, Т. (2010). «Сцинтилляция жидкого аргона». ЭПЛ . 91 (62002): 62002.arXiv : 1511.07718 . Бибкод : 2010EL.....9162002H . дои : 10.1209/0295-5075/91/62002 . S2CID 55110486 .

[Boulay2004-4] Буле; и др. (2004). «Прямое обнаружение вимпов с использованием дискриминации по времени сцинтилляции в жидком аргоне». arXiv : astro-ph/0411358 .

[5] «Сайт ДЕАП-1» . Архивировано из оригинала 2 апреля 2009 г. Проверено 8 марта 2008 г.

[DEAP-2014-6] Jump up to: ^а ^б Сотрудничество DEAP (2014). «DEAP-3600 Поиск темной материи». Международная конференция по физике высоких энергий (ИЧЭП 2014) . 273–275: 340–346. arXiv : 1410.7673 . Бибкод : 2014arXiv1410.7673D . doi : 10.1016/j.nuclphysbps.2015.09.048 . S2CID 55008520 .

[deap_construction-7] Jump up to: ^а ^б Сотрудничество DEAP (2019). «Проектирование и конструкция детектора темной материи DEAP-3600». Астрофизика частиц . 108 : 1–23. arXiv : 1712.01982 . Бибкод : 2019APh...108....1A . doi : 10.1016/j.astropartphys.2018.09.006 . S2CID 119029164 .

[TPB_Depo-8] Броерман, Б. (18 апреля 2017 г.). «Применение преобразователя длины волны TPB на внутренней поверхности сферического акрилового сосуда DEAP-3600». ДЖИНСТ . 12 (4): P04017. arXiv : 1704.01882 . Бибкод : 2017JInst..12P4017B . дои : 10.1088/1748-0221/12/04/P04017 . S2CID 118925932 .

[9] Текущий статус DEAP-3600. ноябрь 2015 г.

[FIRST_DATA-10] Jump up to: ^а ^б Сотрудничество DEAP (2018). «Первые результаты поиска темной материи DEAP-3600 с аргоном в SNOLAB». Письма о физических отзывах . 121 (7): 071801. arXiv : 1707.08042 . Бибкод : 2017arXiv170708042D . doi : 10.1103/PhysRevLett.121.071801 . ПМИД 30169081 . S2CID 206315242 .

[231day_results-11] Аджадж и др. (Сотрудничество DEAP), Р. (24 июля 2019 г.). «Поиск темной материи при 231-дневном воздействии жидкого аргона с помощью DEAP-3600 в SNOLAB». Физический обзор D . 100 (2): 022004. arXiv : 1902.04048 . Бибкод : 2019PhRvD.100b2004A . doi : 10.1103/PhysRevD.100.022004 . S2CID 119342085 .

[12] Адхикари, П.; Аджадж, Р.; Альпизар-Венегас, М.; Оти, диджей; Бенмансур, Х.; Бина, CE; Бонивенто, В.; Буле, МГ; Кадедду, М.; Кай, Б.; Карденас-Монтес, М. (05 января 2022 г.). «Первые ограничения прямого обнаружения темной материи массы планковского масштаба с сигнатурами множественного рассеяния с использованием детектора DEAP-3600» . Письма о физических отзывах . 128 (1): 011801. arXiv : 2108.09405 . Бибкод : 2022PhRvL.128a1801A . doi : 10.1103/PhysRevLett.128.011801 . ISSN 0031-9007 . ПМИД 35061499 . S2CID 237266740 .

[13] «Эксперимент в SNOLAB достиг мирового результата в поисках темной материи» . Исследовать . Проверено 3 февраля 2022 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]