Криогенный поиск темной материи - Cryogenic Dark Matter Search - Wikipedia

В Криогенный поиск темной материи (CDMS) представляет собой серию экспериментов, предназначенных для непосредственного обнаружения частиц темная материя в виде Слабо взаимодействующие массивные частицы (или вимпы). Использование массива полупроводниковых детекторов на милликельвин температурах, CDMS временами устанавливает самые чувствительные пределы взаимодействия темной материи WIMP с земными материалами (по состоянию на 2018 год пределы CDMS не самые чувствительные). Первый эксперимент, CDMS I, был спущен в туннель под Стэндфордский Университет кампус. За этим последовало CDMS II эксперимент в Судан Шахта. Самый последний эксперимент, SuperCDMS (или же SuperCDMS Судан), находился глубоко под землей в Судан шахта на севере Миннесота и собраны данные с 2011 по 2015 годы. Серия экспериментов продолжается с SuperCDMS SNOLAB, эксперимент, расположенный на СНОЛАБ объект рядом Садбери, Онтарио в Канада строительство которого началось в 2018 году, и ожидается, что сбор данных начнется в начале 2020-х годов.

Фон

Наблюдения за крупномасштабной структурой Вселенной показывают, что материя агрегирована в очень большие структуры, которые не успели сформироваться под действием собственной самогравитации. Обычно считается, что некоторая форма недостающая масса отвечает за увеличение гравитационной силы в этих масштабах, хотя эта масса не наблюдалась напрямую. Это проблема; обычная материя в космосе нагревается до тех пор, пока не испускает свет, поэтому, если эта недостающая масса существует, обычно предполагается, что она имеет форму, которая обычно не наблюдается на Земле.

С течением времени выдвигался ряд предложенных кандидатов на роль недостающей массы. Среди первых кандидатов были тяжелые барионы это должно было быть создано в Большой взрыв, но более поздние исследования нуклеосинтеза, кажется, исключили большинство из них.^[1] Другой кандидат - новые типы частиц, известные как слабовзаимодействующие массивные частицы, или "WIMP" s. Как следует из названия, вимпи слабо взаимодействуют с нормальной материей, что объясняет, почему их нелегко увидеть.^[1]

Таким образом, обнаружение WIMP представляет собой проблему; если WIMP очень слабо взаимодействуют, обнаружить их будет чрезвычайно сложно. Такие детекторы, как CDMS и подобные эксперименты, измеряют огромное количество взаимодействий в объеме своего детектора, чтобы найти чрезвычайно редкие события WIMP.

Технология обнаружения

Детекторы CDMS измеряют ионизация и фононы создается взаимодействием каждой частицы в их германий и кремний кристаллические подложки.^[1] Эти два измерения определяют энергию, вкладываемую в кристалл при каждом взаимодействии, но также дают информацию о том, какая частица вызвала событие. Отношение сигнала ионизации к фононному сигналу различается для взаимодействий частиц с атомными электронами («электронная отдача») и атомными ядрами («ядерная отдача»). Подавляющее большинство взаимодействий фоновых частиц - это отдача электронов, в то время как WIMP (и нейтроны ), как ожидается, вызовут ядерную отдачу. Это позволяет идентифицировать события рассеяния вимпов, даже если они редки по сравнению с подавляющим большинством нежелательных фоновых взаимодействий.

Из суперсимметрия, вероятность независимого от спина взаимодействия между вимпом и ядром будет связана с числом нуклонов в ядре. Таким образом, WIMP с большей вероятностью будет взаимодействовать с германиевым детектором, чем с кремниевым детектором, поскольку германий является гораздо более тяжелым элементом. Нейтроны могут взаимодействовать как с кремниевыми, так и с германиевыми детекторами с одинаковой вероятностью. Сравнивая скорости взаимодействий между кремниевыми и германиевыми детекторами, CDMS может определить вероятность взаимодействий, вызванных нейтронами.

Детекторы CDMS представляют собой диски из германия или кремния, охлаждаемые до милликельвиновых температур с помощью холодильник для разбавления. Чрезвычайно низкие температуры необходимы для ограничения теплового шума, который в противном случае заслонил бы фононные сигналы взаимодействия частиц. Обнаружение фононов осуществляется с помощью сверхпроводимость датчики края перехода (TES) зачитанный КАЛЬМАР усилители, а сигналы ионизации считываются с помощью FET усилитель мощности. Детекторы CDMS также предоставляют данные о форме фононного импульса, который имеет решающее значение для отражения приповерхностных фоновых событий.

История

Одновременное обнаружение ионизации и тепла с полупроводниками при низкой температуре было впервые предложено Блас Кабрера, Лоуренс М. Краусс, и Франк Вильчек.^[2]

CDMS Я собрал данные поиска WIMP на неглубоком подземном участке (называемом SUF) в Стэндфордский Университет 1998-2002 гг. CDMS II эксплуатируется (при сотрудничестве с Университет Миннесоты ) в Судан шахта с 2003 по 2009 г. (данные за 2006-2008 гг.).^[3] Последний эксперимент, SuperCDMS (или SuperCDMS Soudan), с чередующимися электродами, большей массой и даже лучшим подавлением фона, собирал данные на Soudan 2011-2015. Продолжается серия экспериментов с SuperCDMS SNOLAB, строящаяся в настоящее время (2018 г.) в г. СНОЛАБ и будет завершено в начале 2020-х годов.

В серию экспериментов также входят CDMSlite В эксперименте использовались детекторы SuperCDMS в Судане в рабочем режиме (называемом CDMSlite-mode), который должен был быть чувствительным именно к маломассивным WIMP. Поскольку в эксперименте CDMS используется несколько различных детекторных технологий, в частности, два типа детекторов на основе германия или кремния соответственно, эксперименты, полученные на основе определенной конфигурации детекторов эксперимента CDMS, и различных наборов данных, собранных таким образом, иногда даны такие названия, как CDMS Ge, CDMS Si, CDMS II Si и так далее.

Полученные результаты

17 декабря 2009 года коллаборация объявила о возможном обнаружении двух кандидатов в WIMP, одного 8 августа 2007 года, а другого 27 октября 2007 года. Из-за небольшого количества событий команда могла исключить ложные срабатывания из фонового шума, например в качестве нейтрон столкновения. Подсчитано, что такой шум будет вызывать два или более события в 25% случаев.^[4] Были установлены поглотители из полиэтилена, чтобы уменьшить нейтронный фон.^[5]

Анализ 2011 года с более низкими энергетическими порогами искал доказательства для маломассивных вимпов (M <9 ГэВ). Их пределы исключают намеки, заявленные в новом эксперименте с германием под названием КОГЕНЦИЯ и давний DAMA / NaI, ДАМА / ВЕСЫ годовой результат модуляции.^[6]

Дальнейший анализ данных в Physical Review Letters за май 2013 г. выявил 3 обнаружения WIMP с ожидаемым фоном 0,7, с массой, ожидаемой от WIMP, включая нейтралино. Вероятность того, что это аномальный фоновый шум, составляет 0,19%, что дает результату уровень достоверности 99,8% (3 сигма). Хотя это и не является окончательным доказательством существования WIMP, это придает большое значение теориям.^[7] Этот сигнал наблюдался в эксперименте CDMS II, и его называют сигналом CDMS Si (иногда эксперимент также называют CDMS Si), потому что он наблюдался кремниевыми детекторами.

Результаты поиска SuperCDMS с октября 2012 г. по июнь 2013 г. были опубликованы в июне 2014 г., обнаружив 11 событий в сигнальной области для WIMP с массой менее 30 ГэВ и установив верхний предел для независимого от спина сечения, что не благоприятствовало недавнему сигналу с низкой массой CoGeNT.^[8]

SuperCDMS SNOLAB

Второе поколение SuperCDMS планируется для СНОЛАБ.^[9][10] Это расширено из SuperCDMS Soudan во всех отношениях:

• Индивидуальные детекторные диски имеют диаметр 100 мм / 3,9 дюйма × толщину 33,3 мм / 1,3 дюйма, что составляет 225% объема дисков диаметром 76,2 мм / 3 дюйма × 25,4 мм / 1 дюйм толщиной в Судане.^[9][10]
• Их больше, на 31 «башню» по шесть дисков каждая,^[11]:7 хотя эксплуатация начнется всего с четырех башен.
• Детектор лучше экранирован как за счет более глубокого расположения в SNOLAB, так и за счет большего внимания к радиационной чистоте в конструкции.^[12]:18

Увеличение массы детектора не такое большое, потому что около 25% детекторов будут сделаны из кремния,^[11]:7 который весит всего 44%.^[13]:1 Заполнение всех 31 башни при таком соотношении даст около 222 кг.

Хотя в реализации проекта неоднократно возникали задержки (ранее планировалось, что строительство начнется в 2014 г.^[14] и 2016^[12]:18–25), он остается активным,^[13] с выделенными площадями в SNOLAB и запланированным началом строительства в начале 2018 г.^[9]:9

Строительство SuperCDMS в SNOLAB началось в 2018 году, а ввод в эксплуатацию - в начале 2020-х годов. ^[15]

Предложение GEODM

Предусмотрено третье поколение SuperCDMS,^[9] хотя все еще находится на ранней стадии планирования. ГЕОДМ (Geроманий Обсерватория для Dковчег Matter), с массой детектора около 1500 кг, проявил интерес к локации SNOLAB «Криопит».^[16]

Увеличение массы детектора делает детектор более чувствительным только в том случае, если нежелательные фоновые обнаружения также не увеличиваются, поэтому каждое поколение должно быть чище и лучше защищено, чем предыдущее. Целью построения в десять этапов, подобных этому, является разработка необходимых методов экранирования перед окончательной доработкой проекта GEODM.

Рекомендации

1. "WIMP Dark Matter" В архиве 2002-06-01 на Wayback Machine, Обзор CDMSII, Калифорнийский университет в Беркли
2. Б. Кабрера; Л. М. Краусс; Ф. Вильчек (Июль 1985 г.), "Болометрическое обнаружение нейтрино", Phys. Rev. Lett., 55 (1): 25–28, Bibcode:1985ПхРвЛ..55 ... 25С, Дои:10.1103 / PhysRevLett.55.25, PMID  10031671
3. Анантасвами, Анил (02.03.2010). На грани физики: путешествие в крайности Земли, чтобы раскрыть секреты Вселенной. HMH. ISBN  978-0-547-48846-2.
4. "Последние результаты поиска темной материи, четверг, 17 декабря 2009 г." В архиве 18 июня 2010 г. Wayback Machine
5. «Криостат CDMS без детекторов». Архивировано из оригинал на 2000-08-18. Получено 2011-09-23.
6. CDMS Collaboration (21 апреля 2011 г.). «Результаты низкоэнергетического анализа данных CDMS II по германию». Письма с физическими проверками. 106 (13): 131302. arXiv:1011.2482v3. Bibcode:2011ПхРвЛ.106м1302А. Дои:10.1103 / PhysRevLett.106.131302. PMID  21517371.
7. CDMS Collaboration (4 мая 2013 г.). «Результаты поиска темной материи с использованием кремниевых детекторов CDMS II». Письма с физическими проверками. 111 (25): 251301. arXiv:1304.4279. Bibcode:2013PhRvL.111y1301A. Дои:10.1103 / PhysRevLett.111.251301. PMID  24483735.
8. Agnese, R .; Андерсон, А. Дж .; Asai, M .; Балакишиева, Д .; Basu Thakur, R .; Бауэр, Д. А .; Beaty, J .; Billard, J .; Borgland, A .; Bowles, M. A .; Brandt, D .; Brink, P. L .; Bunker, R .; Cabrera, B .; Caldwell, D. O .; Cerdeno, D.G .; Chagani, H .; Chen, Y .; Cherry, M .; Cooley, J .; Cornell, B .; Crewdson, C.H .; Cushman, P .; Daal, M .; Devaney, D .; Ди Стефано, П. К. Ф .; Silva, E. Do Couto E .; Даути, Т .; Эстебан, Л .; и другие. (20 июня 2014 г.). «Поиск маломассивных WIMP с помощью SuperCDMS». Phys. Rev. Lett. 112 (24): 241302. arXiv:1402.7137. Bibcode:2014ПхРвЛ.112х1302А. Дои:10.1103 / PhysRevLett.112.241302. HDL:1721.1/88645. PMID  24996080.
9. Кушман, Присцилла (22 июля 2012 г.), «Поиск криогенной темной материи: состояние и планы на будущее» (PDF), IDM конференция
10. Сааб, Тарек (2012-08-01), "Поиск темной материи SuperCDMS" (PDF), Летний институт SLAC 2012, Национальная ускорительная лаборатория SLAC, получено 2012-11-28 (презентация )
11. Рау, Вольфганг (25 июля 2017 г.). SuperCDMS SNOLAB - Статус и планы. XV Международная конференция по темам астрономических частиц и подземной физики (TAUP 2017). Садбери, Канада.
12. Бринк, Пол (25 июня 2015 г.). Результаты SuperCDMS и планы для SNOLAB. 11-й семинар в Патре по аксионам, WIMP и WISP. Сарагоса, Испания.
13. Agnese, R .; и другие. (Совместная работа SuperCDMS) (07.04.2017). «Прогнозируемая чувствительность эксперимента SuperCDMS SNOLAB» (PDF). Физический обзор D. 95 (8): 082002. arXiv:1610.00006. Bibcode:2017ПхРвД..95х2002А. Дои:10.1103 / PhysRevD.95.082002.
14. «Эксперимент с темной материей второго поколения в компании SNOLAB» (Пресс-релиз). СНОЛАБ. 2014-07-18. Получено 2014-09-18.
15. «Началось строительство эксперимента с темной материей SuperCDMS».
16. Голвала, Сунил (15.08.2011). GEODM Интерес к криоплоту SNOLAB (PDF).

внешняя ссылка

• Веб-сайт SuperCDMS