ArDM - ArDM
El experimento ArDM ( Argon Dark Matter ) es un experimento de física de partículas basado en un detector de argón líquido , cuyo objetivo es medir señales de WIMP (partículas masivas de interacción débil), que probablemente constituyen la materia oscura en el universo. La dispersión elástica de los WIMP de los núcleos de argón se puede medir mediante la observación de electrones libres de ionización y fotones de centelleo , que son producidos por la interacción del núcleo en retroceso con los átomos vecinos. Las señales de ionización y centelleo se pueden medir con técnicas de lectura dedicadas, que constituyen una parte fundamental del detector.
Para obtener una masa objetivo suficientemente alta, el gas noble argón se utiliza en la fase líquida como material objetivo. Dado que el punto de ebullición del argón es de 87 K a presión normal, el funcionamiento del detector requiere un sistema criogénico .
Metas experimentales
El detector ArDM tiene como objetivo detectar directamente señales de WIMP a través de la dispersión elástica de los núcleos de argón. Durante la dispersión, una cierta energía de retroceso, que normalmente se encuentra entre 1 keV y 100 keV, se transfiere desde el WIMP al núcleo de argón.
No se sabe con qué frecuencia se puede esperar una señal de la interacción WIMP-argón. Esta tasa depende del modelo subyacente que describe las propiedades del WIMP. Uno de los candidatos más populares para un WIMP es la partícula supersimétrica más ligera (LSP) o neutralino de las teorías supersimétricas . Su sección transversal con nucleones presumiblemente se encuentra entre 10-12 pb y 10-6 pb, lo que hace que las interacciones WIMP-nucleón sean un evento raro. La tasa total de eventos se puede aumentar optimizando las propiedades objetivo, como el aumento de la masa objetivo. Está previsto que el detector ArDM contenga aproximadamente una tonelada de argón líquido. Esta masa objetivo corresponde a una tasa de eventos de aproximadamente 100 eventos por día en una sección transversal de 10-6 pb o 0.01 eventos por día a 10-10 pb.
Las tasas de eventos pequeños requieren un potente rechazo de fondo. Un trasfondo importante proviene de la presencia del isótopo inestable 39 Ar en el argón natural licuado de la atmósfera. 39 Ar sufre desintegración beta con una vida media de 269 años y un punto final del espectro beta a 565 keV. La relación de ionización sobre el centelleo de las interacciones de electrones y gamma es diferente a la que produce la dispersión WIMP. Por lo tanto, el fondo de 39 Ar es bien distinguible, con una determinación precisa de la relación de ionización / centelleo. Como alternativa, se está considerando el uso de argón empobrecido de pozos subterráneos.
Los neutrones emitidos por los componentes del detector y por los materiales que lo rodean interactúan con el argón de la misma manera que los WIMP. Por lo tanto, el fondo de neutrones es casi indistinguible y debe reducirse lo mejor posible, como por ejemplo eligiendo cuidadosamente los materiales del detector. Además, es necesaria una estimación o medición del flujo de neutrones restante.
Está previsto que el detector funcione bajo tierra para evitar fondos inducidos por rayos cósmicos .
Estado de construcción
El detector ArDM se ensambló y probó en el CERN en 2006. Se realizaron estudios sobre el suelo del rendimiento del equipo y del detector antes de que se trasladara bajo tierra en 2012 en el Laboratorio Subterráneo de Canfranc en España. Se llenó, se puso en marcha y se probó a temperatura ambiente. Durante la carrera subterránea de abril de 2013, el rendimiento de luz mejoró en comparación con las condiciones de la superficie.
Se planifican futuras ejecuciones de gas argón frío así como el desarrollo continuo de detectores. Los resultados de argón líquido están previstos para 2014.
Más allá de la versión de una tonelada, el tamaño del detector se puede aumentar sin cambiar fundamentalmente su tecnología. Un detector de argón líquido de diez toneladas es una posibilidad de expansión pensable para ArDM. Los experimentos actuales para la detección de materia oscura a una escala de masa de 1 kg a 100 kg con resultados negativos demuestran la necesidad de experimentos a escala de toneladas.
Resultados y direcciones futuras
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A pesar de estudiar la materia inherentemente "oscura", el futuro parece brillante para el desarrollo de detectores de materia oscura. El "Dark Side Program" es un consorcio que ha realizado y continúa desarrollando nuevos experimentos basados en argón atmosférico condensado (LAr), en lugar de xenón, líquido. Un aparato reciente del lado oscuro, el lado oscuro-50 (DS-50), emplea un método conocido como "cámaras de proyección de tiempo de argón líquido de dos fases (LAr TPC)", que permite la determinación tridimensional de las posiciones de eventos de colisión creadas por la electroluminiscencia creada por colisiones de argón con partículas de materia oscura. El programa Dark Side publicó sus primeros resultados sobre sus hallazgos en 2015, siendo hasta ahora los resultados más sensibles para la detección de materia oscura basada en argón. Los métodos basados en LAr utilizados para aparatos futuros presentan una alternativa a los detectores basados en xenón y podrían potencialmente conducir a detectores de varias toneladas nuevos y más sensibles en un futuro próximo.