ЦЕПЛИН-III

В эксперименте с темной материей ZEPLIN-III была предпринята попытка обнаружить галактические вимпы с использованием мишени из жидкого ксенона массой 12 кг. Он работал с 2006 по 2011 год в подземной лаборатории Боулби в Лофтусе, Северный Йоркшир . Это был последний эксперимент в серии экспериментов на основе ксенона в рамках программы ZEPLIN, первоначально проводимой Британской коллаборацией по темной материи (UKDMC). Проект ZEPLIN-III возглавлялся Имперским колледжем Лондона , а также включал Лабораторию Резерфорда Эпплтона и Эдинбургский университет в Великобритании, а также LIP-Коимбра в Португалии и ИТЭФ-Москва в России. Это исключило сечения упругого рассеяния вимпов на нуклонах выше 3,9 × 10. ⁻⁸ пб (3,9×10 ⁻⁴⁴ см ²) по результатам двух научных забегов, проведенных в Булби (83 дня в 2008 г. и 319 дней в 2010/11 г.).

Эксперименты по прямому поиску темной материи направлены на поиск чрезвычайно редких и очень слабых столкновений, которые, как ожидается, могут произойти между холодными частицами темной материи , которые, как полагают, пронизывают нашу галактику, и ядрами атомов в активной среде детектора излучения. Эти гипотетические элементарные частицы могут представлять собой слабо взаимодействующие массивные частицы , или вимпы, весом всего несколько протонов или несколько тяжелых ядер. Их природа пока неизвестна, но в рамках Стандартной модели физики элементарных частиц не осталось разумных кандидатов на объяснение проблемы темной материи.

Технология обнаружения

Конденсированные благородные газы, особенно жидкий ксенон и жидкий аргон, являются отличными средами для обнаружения радиации. Они могут создавать две сигнатуры для каждого взаимодействия частиц: быструю вспышку света ( сцинтилляция ) и локальное высвобождение заряда ( ионизация ). В двухфазном ксеноне, названном так потому, что он включает в себя жидкую и газовую фазы в равновесии, сцинтилляционный свет, возникающий в результате взаимодействия в жидкости, детектируется непосредственно с помощью фотоумножителей ; ионизационные электроны, высвобождаемые в месте взаимодействия, под действием внешнего электрического поля дрейфуют к поверхности жидкости и впоследствии эмитируются в тонкий слой паров ксенона. Попав в газ, они генерируют второй, более мощный импульс света ( электролюминесценция или пропорциональная сцинтилляция), который регистрируется той же матрицей фотоумножителей. Эти системы также известны как «детекторы выбросов» ксенона. ^[1]

Эта конфигурация представляет собой камеру проекции времени (TPC); это позволяет трехмерную реконструкцию места взаимодействия, поскольку координата глубины (z) может быть очень точно измерена по временному разделению между двумя световыми импульсами. Горизонтальные координаты могут быть восстановлены по шаблону попаданий в матрице(ах) фотоумножителя. Что критически важно для поиска WIMP, соотношение между двумя каналами ответа (сцинтилляцией и ионизацией) позволяет исключить преобладающие фоны для поиска WIMP: гамма- и бета-излучение от следов радиоактивности в материалах детектора и ближайшем окружении. События-кандидаты вимп производят более низкие отношения ионизации/сцинтилляции, чем более распространенные фоновые взаимодействия.

Программа ZEPLIN стала пионером в использовании двухфазной технологии для поиска WIMP. Однако сама методика была впервые разработана для обнаружения радиации с использованием аргона в начале 1970-х годов. ^[1] Лебеденко, один из пионеров в Московском инженерно-физическом институте , участвовал в создании ZEPLIN-III в Великобритании с 2001 года. Разработанный параллельно с ним, но в более короткие сроки, ZEPLIN-II был первым подобным WIMP-детектором, работавшим в мире. (2005). ^[2] Эта технология также была очень успешно принята в программе XENON . Двухфазный аргон также использовался для поиска темной материи коллаборацией WARP и ArDM . LUX разрабатывает аналогичные системы с улучшенными ограничениями.

История

Серия экспериментов ZEPLIN ) представляла собой прогрессивную программу , ( Пропорциональное сцинтилляция ZonEd в жидких благородных газах проводимую Британской коллаборацией по темной материи с использованием жидкого ксенона. Он развивался вместе с программой DRIFT , которая продвигала использование газонаполненных TPC для восстановления информации о направлении при рассеянии вимпов. В конце 1980-х годов UKDMC исследовал потенциал различных материалов и технологий, включая криогенный LiF, CaF ₂ , кремний и германий, в результате чего в Булби возникла программа, основанная на сцинтилляторах NaI(Tl) комнатной температуры . ^[3] Последующий переход к новому материалу мишени, жидкому ксенону, был мотивирован осознанием того, что благородные жидкие мишени по своей сути более масштабируемы и могут достичь более низких энергетических порогов и лучшей дискриминации фона. ^[4] В частности, при анализе данных можно пожертвовать внешними слоями объемной мишени, на которые больше влияет внешний фон, если известно положение взаимодействий; это оставляет внутренний реперный объем с потенциально очень низкими фоновыми ставками. Этот эффект самоэкранирования (на который ссылается термин «зонированный» в придуманной аббревиатуре ZEPLIN) объясняет более быстрый рост чувствительности этих целей по сравнению с технологиями, основанными на модульном подходе, принятом с кристаллическими детекторами, где каждый модуль вносит свой собственный фон.

ZEPLIN-I , 3-килограммовая мишень с жидким ксеноном, эксплуатировалась в Булби с конца 1990-х годов. ^[5] Он использовал распознавание формы импульса для подавления фона, используя небольшую, но полезную разницу между временными свойствами сцинтилляционного света, вызванного вимпами, и фоновыми взаимодействиями. За этим последовали двухфазные системы ZEPLIN-II и ZEPLIN-III, которые проектировались и строились параллельно в RAL / UCLA и Имперском колледже соответственно.

ZEPLIN-II была первой в мире двухфазной системой, развернутой для поиска темной материи; ^[2] она состояла из мишени из жидкого ксенона массой 30 кг, покрытой слоем газа толщиной 3 мм, в так называемой трехэлектродной конфигурации: отдельные электрические поля прикладывались к объему жидкости (мишень вимп) и к газовой области над ней с помощью с использованием дополнительного электрода под поверхностью жидкости (помимо анодной сетки, расположенной над газом, и катода в нижней части камеры). В ZEPLIN-II массив из 7 фотоумножителей наблюдал за камерой сверху в газовой фазе.

ЦЕПЛИН-III был предложен в конце 1990-х годов. ^[6] частично основанный на аналогичной концепции, разработанной в ИТЭФ, ^[7] и построен профессором Тимом Самнером и его командой в Имперском колледже. Она была развернута под землей в Булби в конце 2006 года, где работала до 2011 года. Это была двухэлектродная камера, в которой эмиссия электронов в газ достигалась за счет сильного (4 кВ/см) поля в объеме жидкости, а не за счет дополнительный электрод. Матрица фотоумножителей содержала 31 фотонный детектор, наблюдавший за мишенью вимп снизу, погруженной в холодный жидкий ксенон. ^[8]

ZEPLIN-II и -III были специально разработаны по-разному, чтобы технологии, используемые в каждой подсистеме, могли быть оценены и выбраны для окончательного эксперимента, предложенного UKDMC: ксеноновая мишень весом в тонну ( ZEPLIN-MAX ), способная исследование большей части пространства параметров, предпочитаемого теорией на данный момент (1 × 10 ⁻¹⁰ pb), хотя эта последняя система так и не была построена в Великобритании из-за отсутствия финансирования.

Результаты

Хотя жидкоксеноновая мишень ZEPLIN-III была построена в том же масштабе, что и ее предшественники ZEPLIN, она достигла значительного улучшения чувствительности WIMP за счет более высокого коэффициента дискриминации и более низкого общего фона. В 2011 году он опубликовал пределы исключения для независимого от спина сечения упругого рассеяния вимп-нуклона выше 3,9 × 10. ⁻⁸ pb для массы вимпа с энергией 50 ГэВ. ^[9] Хотя и не так строго, как результаты XENON100 , ^[10] это было достигнуто с использованием в 10 раз меньшей контрольной массы и продемонстрировало лучшую дискриминацию фона, когда-либо достигнутую в этих детекторах. Спин-зависимое сечение WIMP-нейтрона было исключено выше 8,0 × 10. ⁻³ пб. ^[11]^[12] Это также исключило модель неупругого рассеяния вимпов, которая пыталась совместить положительное утверждение DAMA с отсутствием сигнала в других экспериментах. ^[13]

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б Б. А. Долгошеин, В. Н. Лебеденко, Б. И. Родионов, "Новый метод регистрации треков ионизирующих частиц в конденсированном состоянии", Письма в ЖЭТФ. 11(11): 351 (1970)
^ Jump up to: ^а ^б Алнер, Дж.Дж.; Араужо, HM; Бьюик, А.; Бунгау, К.; Каманци, Б.; и др. (2007). «Первые ограничения сигналов ядерной отдачи WIMP в ZEPLIN-II: двухфазный ксеноновый детектор для обнаружения темной материи». Астрофизика частиц . 28 (3): 287–302. arXiv : astro-ph/0701858 . Бибкод : 2007APh....28..287A . doi : 10.1016/j.astropartphys.2007.06.002 . ISSN 0927-6505 . S2CID 1044263 .
^ Полный список ссылок UKDMC см. на http://hepwww.rl.ac.uk/ukdmc/pub/fulpub.html.
^ Дэвис, Дж.Дж.; Дэвис, доктор медицинских наук; Левин, доктор медицинских наук; Смит, П.Ф.; Джонс, WG (1994). «Жидкий ксенон как детектор темной материи. Перспективы распознавания ядерной отдачи по времени фотонов». Буквы по физике Б. 320 (3–4). Эльзевир Б.В.: 395–399. Бибкод : 1994PhLB..320..395D . дои : 10.1016/0370-2693(94)90676-9 . ISSN 0370-2693 .
^ Алнер, Дж.Дж.; Араужо, Х.; Арнисон, Дж.Дж.; Бартон, Дж. К.; Бьюик, А.; и др. (2005). «Первые ограничения на события ядерной отдачи от галактического детектора темной материи ZEPLIN I». Астрофизика частиц . 23 (5). Эльзевир Б.В.: 444–462. Бибкод : 2005APh....23..444U . doi : 10.1016/j.astropartphys.2005.02.004 . ISSN 0927-6505 .
^ TJ Самнер и др. , «ЗЕПЛИН-III: двухфазный ксеноновый детектор темной материи», в: Материалы 3-го международного семинара. Там же. Темная материя , Спунер и Кудрявцев (редакторы): World Scientific, стр. 452–456 (2001).
^ Д.Ю. Акимов и др. , «Сцинтилляционный двухфазный ксеноновый детектор с подавлением гамма- и электронного фона для поиска темной материи», в: Источники и обнаружение темной материи во Вселенной : Северная Голландия, стр. 461–464 (1998).
^ АКИМОВ, Д; АЛНЕР, Г; АРАУХО, Х; БЬЮИК, А; БУНГАУ, С; и др. (2007). «Детектор темной материи ЦЕПЛИН-III: проектирование, изготовление и ввод в эксплуатацию прибора». Астрофизика частиц . 27 (1): 46–60. arXiv : astro-ph/0605500 . Бибкод : 2007APh....27...46A . doi : 10.1016/j.astropartphys.2006.09.005 . hdl : 10316/4383 . ISSN 0927-6505 . S2CID 11911700 .
^ Акимов Д.Ю.; Араужо, HM; Барнс, Э.Дж.; Белов В.А.; Бьюик, А.; и др. (2012). «Поперечное сечение WIMP-нуклона является результатом второго научного запуска ZEPLIN-III». Буквы по физике Б. 709 (1–2). Эльзевир Б.В.: 14–20. arXiv : 1110.4769 . Бибкод : 2012PhLB..709...14A . дои : 10.1016/j.physletb.2012.01.064 . ISSN 0370-2693 . S2CID 14136134 .
^ Априле, Э.; Арисака, К.; Арнеодо, Ф.; Аскин, А.; Баудис, Л.; и др. (19 сентября 2011 г.). «Результаты темной материи на основе данных XENON100 за 100 дней». Письма о физических отзывах . 107 (13): 131302. arXiv : 1104.2549 . Бибкод : 2011PhRvL.107m1302A . дои : 10.1103/physrevlett.107.131302 . ISSN 0031-9007 . ПМИД 22026838 . S2CID 9685630 .
^ Лебеденко В.Н.; Араужо, HM; Барнс, Э.Дж.; Бьюик, А.; Кэшмор, Р.; и др. (25 сентября 2009 г.). «Результаты первого научного запуска эксперимента по поиску темной материи ZEPLIN-III». Физический обзор D . 80 (5): 052010. arXiv : 0812.1150 . Бибкод : 2009PhRvD..80e2010L . дои : 10.1103/physrevd.80.052010 . ISSN 1550-7998 . S2CID 119237969 .
^ Лебеденко В.Н.; Араужо, HM; Барнс, Э.Дж.; Бьюик, А.; Кэшмор, Р.; и др. (8 октября 2009 г.). «Ограничения на спин-зависимые сечения вимп-нуклонов из первого научного запуска эксперимента ZEPLIN-III». Письма о физических отзывах . 103 (15): 151302. arXiv : 0901.4348 . Бибкод : 2009PhRvL.103o1302L . дои : 10.1103/physrevlett.103.151302 . ISSN 0031-9007 . ПМИД 19905617 . S2CID 1349055 .
^ Акимов Д.Ю.; Араужо, HM; Барнс, Э.Дж.; Белов В.А.; Бьюик, А.; и др. (2010). «Пределы неупругой темной материи от ZEPLIN-III». Буквы по физике Б. 692 (3): 180–183. arXiv : 1003.5626 . Бибкод : 2010PhLB..692..180A . дои : 10.1016/j.physletb.2010.07.042 . ISSN 0370-2693 . S2CID 67836272 .

Внешние ссылки

54 ° 33'12 "N 0 ° 49'28" W / 54,5534 ° N 0,8245 ° W / 54,5534; -0,8245

[dolgoshein-1] Jump up to: ^а ^б Б. А. Долгошеин, В. Н. Лебеденко, Б. И. Родионов, "Новый метод регистрации треков ионизирующих частиц в конденсированном состоянии", Письма в ЖЭТФ. 11(11): 351 (1970)

[z2-2] Jump up to: ^а ^б Алнер, Дж.Дж.; Араужо, HM; Бьюик, А.; Бунгау, К.; Каманци, Б.; и др. (2007). «Первые ограничения сигналов ядерной отдачи WIMP в ZEPLIN-II: двухфазный ксеноновый детектор для обнаружения темной материи». Астрофизика частиц . 28 (3): 287–302. arXiv : astro-ph/0701858 . Бибкод : 2007APh....28..287A . doi : 10.1016/j.astropartphys.2007.06.002 . ISSN 0927-6505 . S2CID 1044263 .

[3] Полный список ссылок UKDMC см. на http://hepwww.rl.ac.uk/ukdmc/pub/fulpub.html.

[4] Дэвис, Дж.Дж.; Дэвис, доктор медицинских наук; Левин, доктор медицинских наук; Смит, П.Ф.; Джонс, WG (1994). «Жидкий ксенон как детектор темной материи. Перспективы распознавания ядерной отдачи по времени фотонов». Буквы по физике Б. 320 (3–4). Эльзевир Б.В.: 395–399. Бибкод : 1994PhLB..320..395D . дои : 10.1016/0370-2693(94)90676-9 . ISSN 0370-2693 .

[5] Алнер, Дж.Дж.; Араужо, Х.; Арнисон, Дж.Дж.; Бартон, Дж. К.; Бьюик, А.; и др. (2005). «Первые ограничения на события ядерной отдачи от галактического детектора темной материи ZEPLIN I». Астрофизика частиц . 23 (5). Эльзевир Б.В.: 444–462. Бибкод : 2005APh....23..444U . doi : 10.1016/j.astropartphys.2005.02.004 . ISSN 0927-6505 .

[6] TJ Самнер и др. , «ЗЕПЛИН-III: двухфазный ксеноновый детектор темной материи», в: Материалы 3-го международного семинара. Там же. Темная материя , Спунер и Кудрявцев (редакторы): World Scientific, стр. 452–456 (2001).

[7] Д.Ю. Акимов и др. , «Сцинтилляционный двухфазный ксеноновый детектор с подавлением гамма- и электронного фона для поиска темной материи», в: Источники и обнаружение темной материи во Вселенной : Северная Голландия, стр. 461–464 (1998).

[8] АКИМОВ, Д; АЛНЕР, Г; АРАУХО, Х; БЬЮИК, А; БУНГАУ, С; и др. (2007). «Детектор темной материи ЦЕПЛИН-III: проектирование, изготовление и ввод в эксплуатацию прибора». Астрофизика частиц . 27 (1): 46–60. arXiv : astro-ph/0605500 . Бибкод : 2007APh....27...46A . doi : 10.1016/j.astropartphys.2006.09.005 . hdl : 10316/4383 . ISSN 0927-6505 . S2CID 11911700 .

[9] Акимов Д.Ю.; Араужо, HM; Барнс, Э.Дж.; Белов В.А.; Бьюик, А.; и др. (2012). «Поперечное сечение WIMP-нуклона является результатом второго научного запуска ZEPLIN-III». Буквы по физике Б. 709 (1–2). Эльзевир Б.В.: 14–20. arXiv : 1110.4769 . Бибкод : 2012PhLB..709...14A . дои : 10.1016/j.physletb.2012.01.064 . ISSN 0370-2693 . S2CID 14136134 .

[10] Априле, Э.; Арисака, К.; Арнеодо, Ф.; Аскин, А.; Баудис, Л.; и др. (19 сентября 2011 г.). «Результаты темной материи на основе данных XENON100 за 100 дней». Письма о физических отзывах . 107 (13): 131302. arXiv : 1104.2549 . Бибкод : 2011PhRvL.107m1302A . дои : 10.1103/physrevlett.107.131302 . ISSN 0031-9007 . ПМИД 22026838 . S2CID 9685630 .

[11] Лебеденко В.Н.; Араужо, HM; Барнс, Э.Дж.; Бьюик, А.; Кэшмор, Р.; и др. (25 сентября 2009 г.). «Результаты первого научного запуска эксперимента по поиску темной материи ZEPLIN-III». Физический обзор D . 80 (5): 052010. arXiv : 0812.1150 . Бибкод : 2009PhRvD..80e2010L . дои : 10.1103/physrevd.80.052010 . ISSN 1550-7998 . S2CID 119237969 .

[12] Лебеденко В.Н.; Араужо, HM; Барнс, Э.Дж.; Бьюик, А.; Кэшмор, Р.; и др. (8 октября 2009 г.). «Ограничения на спин-зависимые сечения вимп-нуклонов из первого научного запуска эксперимента ZEPLIN-III». Письма о физических отзывах . 103 (15): 151302. arXiv : 0901.4348 . Бибкод : 2009PhRvL.103o1302L . дои : 10.1103/physrevlett.103.151302 . ISSN 0031-9007 . ПМИД 19905617 . S2CID 1349055 .

[13] Акимов Д.Ю.; Араужо, HM; Барнс, Э.Дж.; Белов В.А.; Бьюик, А.; и др. (2010). «Пределы неупругой темной материи от ZEPLIN-III». Буквы по физике Б. 692 (3): 180–183. arXiv : 1003.5626 . Бибкод : 2010PhLB..692..180A . дои : 10.1016/j.physletb.2010.07.042 . ISSN 0370-2693 . S2CID 67836272 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]