DEAP - DEAP

Bu makale karanlık madde deneyiyle ilgilidir. Hesaplama çerçevesi için bkz. DEAP (yazılım) .
2014 yılında inşaat sırasında DEAP-3600 dedektörü

DEAP ( Argon Darbe şeklindeki ayrımcılığın kullanıldığı Karanlık Madde Deneyi ), hedef malzeme olarak sıvı argon kullanan bir doğrudan karanlık madde arama deneyidir . DEAP , argonun karakteristik sintilasyon darbe şekline dayalı arka plan ayrımcılığını kullanır . Birinci üretim detektörü ( DEAP-1 , 7 kg hedef kitle) çalıştırılmıştır Queen Üniversitesi sıvı argon içinde düşük bir geri tepme enerjilerde darbe şekli ayrım performansını test etmek için. DEAP-1 daha sonra Ekim 2007'de Dünya yüzeyinin 2 km altındaki SNOLAB'a taşındı ve 2011'e veri topladı.

DEAP-3600 hassasiyeti elde etmek için, aktif sıvı argon kütlesinin 3600 kg ile dizayn edilmiştir pısırık 10 kadar düşük kesitlerini saçılma -nucleon -46 cm 2 100 GeV / C bir karanlık madde partikül kütlesi 2. . DEAP-3600 dedektörünün yapımı 2016 yılında tamamlandı ve veri toplamaya başladı. Dedektörle yaşanan bir olay 2016 yılında veri toplamada kısa bir duraklamaya zorladı. 2019 itibarıyla deney veri topluyor.

Karanlık maddeye karşı daha da iyi hassasiyete ulaşmak için DEAP, DarkSide , CLEAN ve ArDM deneylerinden bilim adamları ile Küresel Argon Karanlık Madde İşbirliği oluşturuldu . Laboratori Nazionali del Gran Sasso'da 20 tonun ( DarkSide-20k ) üzerinde sıvı argon kütlesine sahip bir dedektörün çalışması planlanıyor . Araştırma ve geliştirme çabaları , son derece düşük arkaplan radyasyon ortamı nedeniyle SNOLAB'da çalışması planlanan, nötrino katına ulaşmak için tasarlanmış yüzlerce ton sıvı argon hedef kütlesine sahip yeni nesil bir dedektör ( ARGO ) için çalışmaktadır .

Argon sintilasyon özellikleri ve arka plan reddi

Sıvı argon parıldayan bir malzeme olduğundan, onunla etkileşime giren bir parçacık, gelen parçacıktan biriken enerjiyle orantılı olarak ışık üretir, bu, söndürme büyük bir katkıda bulunan faktör haline gelmeden önce düşük enerjiler için doğrusal bir etkidir . Bir parçacığın argon ile etkileşimi, etkileşim yolu boyunca iyonlaşmaya ve geri tepmeye neden olur. Geri tepen argon çekirdekleri rekombinasyona veya kendi kendine hapsolmaya uğrar ve sonuçta 128nm vakumlu ultraviyole (VUV) foton emisyonu ile sonuçlanır. Ayrıca sıvı argon, kendi sintilasyon ışığına karşı şeffaf olma özelliğine sahiptir, bu, biriktirilen her MeV enerji için üretilen 10'binlerce fotonun ışık verimi sağlar.

Bir argon çekirdeğine sahip bir WIMP karanlık madde parçacığının elastik saçılmasının, çekirdeğin geri tepmesine neden olması beklenir. Bunun çok düşük bir enerji etkileşimi (keV) olması beklenir ve hassas olması için düşük bir algılama eşiği gerektirir. Zorunlu olarak düşük algılama eşiği nedeniyle, tespit edilen arka plan olaylarının sayısı çok yüksektir. WIMP gibi bir karanlık madde parçacığının soluk imzası, birçok farklı türde olası arka plan olayları tarafından maskelenecektir. Bu karanlık madde dışı olayları tanımlamak için bir teknik, sıvı argondan gelen sintilasyon ışığının zamanlama imzasına dayalı bir olayı karakterize eden nabız şekli ayrımıdır (PSD).

PSD sıvı argon dedektöründe mümkündür çünkü elektronlar , yüksek enerjili fotonlar , alfalar ve nötronlar gibi farklı olay parçacıklarından kaynaklanan etkileşimler , geri tepen argon çekirdeklerinin farklı uyarılmış durumlarını oluşturur, bunlar tekli ve üçlü haller olarak bilinir ve bozunurlar. sırasıyla 6 ns ve 1300 ns karakteristik ömürleri ile. Gama ve elektronlardan gelen etkileşimler, elektronik geri tepmeler yoluyla birincil olarak üçlü uyarılmış durumlar üretirken, nötron ve alfa etkileşimleri birincil olarak nükleer geri tepmeler yoluyla tekli uyarılmış durumlar üretir. Karanlık madde parçacığının argon çekirdeği ile elastik saçılması nedeniyle WIMP-nükleon etkileşimlerinin de nükleer geri tepme tipi bir sinyal üretmesi beklenmektedir.

Bir olay için ışığın varış zamanı dağılımını kullanarak, olası kaynağını belirlemek mümkündür. Bu, "geç" bir pencerede (<10.000 ns) ölçülen ışığa göre bir "uyarı" penceresinde (<60 ns) foto-detektörler tarafından ölçülen ışığın oranının ölçülmesiyle kantitatif olarak yapılır. DEAP'de bu parametre Fprompt olarak adlandırılır. Nükleer geri tepme türü olayları yüksek Fprompt (~ 0.7) değerlerine sahipken, elektronik geri tepme olayları düşük bir Fprompt değerine (~ 0.3) sahiptir. WIMP benzeri (Nükleer Geri Tepme) ve arka plan benzeri (Elektronik Geri Tepme) olaylar için Fprompt'taki bu ayrım nedeniyle, dedektördeki en baskın arka plan kaynaklarını benzersiz bir şekilde tanımlamak mümkündür.

DEAP'deki en bol arka plan , atmosferik argonda yaklaşık 1 Bq / kg aktiviteye sahip olan Argon-39'un beta bozunmasından gelir . İlgili enerji bölgesinde (yaklaşık 20 keV elektron enerjisi) nükleer geri tepmelerden beta ve gama arka plan olaylarının ayrımı , sıvı atmosferik argonda karanlık madde araması için bu arka planları yeterince bastırmak için 10 8'de 1'den daha iyi olmalıdır.

DEAP-1

DEAP projesinin ilk aşaması olan DEAP-1, sıvı argonun çeşitli özelliklerini karakterize etmek, darbe şekli ayrımını göstermek ve mühendisliği geliştirmek için tasarlandı. Bu detektör, karanlık madde aramaları yapmak için çok küçüktü. DEAP-1, WIMP etkileşimleri için hedef olarak 7 kg sıvı argon kullanmıştır. Sıvı argon ile etkileşime giren bir partikül tarafından üretilen sintilasyon ışığını tespit etmek için iki fotomultiplikatör tüpü (PMT) kullanıldı. Üretilen sintilasyon ışığı kısa dalga boyunda (128 nm) olduğundan, ultraviyole sintilasyon ışığını absorbe etmek ve görünür spektrumda (440 nm) yeniden yaymak ve ışığın herhangi bir kayıp olmaksızın sıradan pencerelerden geçmesini sağlamak için dalga boyu kayan bir film kullanıldı ve sonunda PMT'ler tarafından tespit edilebilir.

DEAP-1, yüzeydeki arka planların nabız şeklinde iyi bir şekilde ayrıldığını gösterdi ve SNOLAB'da çalışmaya başladı. Derin yeraltı konumu, istenmeyen kozmojenik arka plan olaylarını azalttı . DEAP-1, deney düzeneğindeki iki değişiklik dahil olmak üzere 2007'den 2011'e kadar çalıştı. DEAP-1, DEAP-3600'de ihtiyaç duyulan tasarım iyileştirmelerini belirleyen arka plan olaylarını karakterize etti.

DEAP-3600

DEAP-3600 dedektörü, 1000 kg referans hacmi ile 3600 kg sıvı argon kullanmak üzere tasarlanmıştır, geri kalan hacim kendi kendini koruma ve arka plan veto olarak kullanılır. Bu, türünün ilk örneği olan ~ 2 m çapında küresel akrilik bir kapta bulunur. Akrilik kap, argon sintilasyon ışığını tespit etmek için 255 yüksek kuantum verimli fotoçoğaltıcı tüp (PMT) ile çevrilidir. Akrilik kap, ultra saf su ile doldurulmuş 7,8 m çapında bir kalkan tankına batırılmış paslanmaz çelik bir kabuk içine yerleştirilmiştir. Çelik kabuğun dış kısmında , başta müonlar olmak üzere gelen kozmik parçacıklar tarafından üretilen Cherenkov radyasyonunu tespit etmek için ek 48 veto PMT bulunuyor .

DEAP dedektöründe kullanılan malzemelerin, arka plan olay kontaminasyonunu azaltmak için katı radyo-saflık standartlarına uyması gerekiyordu. Kullanılan tüm malzemeler, mevcut radyasyon seviyelerini belirlemek için test edildi ve iç dedektör bileşenleri , bozunma kızlarından alfa radyasyonu yayan radon yayılması için katı gerekliliklere sahipti . İç kap, yüzey üzerine vakumla buharlaştırılan dalga boyu kaydırıcı malzeme TPB ile kaplanmıştır . TPB, hızlı yeniden yayılması ve yüksek ışık verimi nedeniyle sıvı argon ve sıvı ksenon deneylerinde kullanılan yaygın bir dalga boyu kaydırıcı malzemedir ve çoğu PMT için duyarlılık bölgesinde 425 nm'de zirveye çıkan bir emisyon spektrumuna sahiptir.

Spin bağımsız pısırık-çekirdek enine kesit açısından DEAP öngörülen hassasiyeti 10 -46 cm 2 100 GeV / C de 2 veri alma sonra üç canlı yıl.

İşbirliği yapan kurumlar

İşbirliği yapan kurumlar şunları içerir:

Bu işbirliği, büyük ölçüde üye ve kurumların birçoğunun, zayıf etkileşimli bir başka parçacık olan nötrinoları inceleyen Sudbury Neutrino Gözlemevi (SNO) projesinde kazandığı deneyimlerden yararlanıyor .

DEAP-3600'ün durumu

İnşaat tamamlandıktan sonra DEAP-3600 dedektörü, dedektördeki nitrojen gazı tahliyesi ile Şubat 2015'te devreye alma ve kalibrasyon verilerini almaya başladı. Dedektör dolumu tamamlandı ve karanlık madde aramak için veri toplama 5 Ağustos 2016'da başladı. Dedektörün sıvı argon ile ilk doldurulmasından kısa bir süre sonra, 17 Ağustos 2016'da bir bütil O-ring sızdırmazlığı başarısız oldu ve argonu kirletti 100 ppm N 2 ile Dedektör daha sonra havalandırıldı ve yeniden dolduruldu, ancak bu sefer mühür arızasının yeniden oluşmasını önlemek için 3300 kg seviyesine kadar: bu ikinci dolgu Kasım 2016'da tamamlandı. İlk karanlık madde araştırması ilk dolum 4.44 canlı günlük bir maruz kalma ile sonuçlar 1.2 x 10 bir enine kesit sınırı vererek Ağustos 2017 yılında yayımlanan -44 cm 2 100 GeV / c için 2 pısırık kütlesi.

2016-2017'deki ikinci dolgudan 231 canlı gün boyunca toplanan verilerin analizi ve 100 GeV / c için 3,9 × 10 −45 cm 2'lik bir kesit sınırı vererek Şubat 2019'da karanlık maddeye karşı geliştirilmiş duyarlılık elde edildi. 2 WIMP kütlesi. Bu güncellenmiş analiz, beta ve gama arka planlarına karşı nabız şeklindeki ayrımcılık tekniği için eşikte sıvı argonda şimdiye kadar elde edilen en iyi performansı gösterdi. İşbirliği ayrıca, bir parıldama olayından sonra uzayda ve zamanda gözlemlenen ışığın dağılımını kullanarak, nadir nükleer geri tepme arka planlarını reddetmek için yeni teknikler geliştirdi.

2019 itibariyle, DEAP-3600 karanlık madde aramaya devam ediyor.

Referanslar

Dış bağlantılar