DEAP - DEAP

Detector DEAP-3600 durante la construcción en 2014

DEAP ( Experimento de materia oscura con discriminación de forma de pulso de argón ) es un experimento de búsqueda directa de materia oscura que utiliza argón líquido como material objetivo. DEAP utiliza discriminación de fondo basada en la característica forma de pulso de centelleo del argón. Un detector de primera generación ( DEAP-1 ) con una masa objetivo de 7 kg fue operado en la Universidad de Queen para probar el desempeño de la discriminación de forma de pulso a bajas energías de retroceso en argón líquido. Luego, DEAP-1 se trasladó a SNOLAB , 2 km por debajo de la superficie de la Tierra, en octubre de 2007 y recopiló datos en 2011.

DEAP-3600 fue diseñado con 3600 kg de masa de argón líquido activo para lograr sensibilidad a secciones transversales de dispersión de nucleón WIMP tan bajas como 10-46 cm 2 para una masa de partículas de materia oscura de 100 GeV / c 2 . El detector DEAP-3600 terminó la construcción y comenzó la recopilación de datos en 2016. Un incidente con el detector forzó una breve pausa en la recopilación de datos en 2016. A partir de 2019, el experimento está recopilando datos.

Para alcanzar una sensibilidad aún mejor a la materia oscura, se formó la Colaboración Global Argon Dark Matter Collaboration con científicos de los experimentos DEAP, DarkSide , CLEAN y ArDM . Está previsto que funcione un detector con una masa de argón líquido superior a 20 toneladas ( DarkSide-20k ) en el Laboratori Nazionali del Gran Sasso . Los esfuerzos de investigación y desarrollo están trabajando hacia un detector de próxima generación ( ARGO ) con una masa objetivo de argón líquido de cientos de toneladas diseñado para alcanzar el piso de neutrinos, planeado para operar en SNOLAB debido a su entorno de radiación de fondo extremadamente baja.

Propiedades de centelleo de argón y rechazo de fondo

Dado que el argón líquido es un material centelleante, una partícula que interactúa con él produce luz en proporción a la energía depositada por la partícula incidente, este es un efecto lineal para bajas energías antes de que el enfriamiento se convierta en un factor contribuyente importante. La interacción de una partícula con el argón provoca ionización y retroceso a lo largo del camino de interacción. Los núcleos de argón que retroceden se someten a recombinación o auto-atrapamiento, lo que finalmente da como resultado la emisión de fotones ultravioleta de vacío (VUV) de 128 nm. Además, el argón líquido tiene la propiedad única de ser transparente a su propia luz de centelleo, lo que permite rendimientos de luz de decenas de miles de fotones producidos por cada MeV de energía depositada.

Se espera que la dispersión elástica de una partícula de materia oscura WIMP con un núcleo de argón haga que el núcleo retroceda. Se espera que sea una interacción de muy baja energía (keV) y requiere un umbral de detección bajo para ser sensible. Debido al umbral de detección necesariamente bajo, el número de eventos de fondo detectados es muy alto. La leve firma de una partícula de materia oscura como un WIMP quedará enmascarada por los diferentes tipos de posibles eventos de fondo. Una técnica para identificar estos eventos de materia no oscura es la discriminación de forma de pulso (PSD), que caracteriza un evento basado en la firma de tiempo de la luz de centelleo del argón líquido.

La PSD es posible en un detector de argón líquido porque las interacciones debidas a diferentes partículas incidentes como electrones , fotones de alta energía , alfas y neutrones crean diferentes proporciones de estados excitados de los núcleos de argón en retroceso, estos se conocen como estados singlete y triplete y se desintegran con tiempos de vida característicos de 6 ns y 1300 ns respectivamente. Las interacciones de gammas y electrones producen principalmente estados excitados de triplete a través de retrocesos electrónicos, mientras que las interacciones de neutrones y alfa producen principalmente estados de excitación singlete a través de retrocesos nucleares. Se espera que las interacciones WIMP-nucleón también produzcan una señal de tipo de retroceso nuclear debido a la dispersión elástica de la partícula de materia oscura con el núcleo de argón.

Al utilizar la distribución de la hora de llegada de la luz para un evento, es posible identificar su fuente probable. Esto se hace cuantitativamente midiendo la relación de la luz medida por los fotodetectores en una ventana "rápida" (<60 ns) sobre la luz medida en una ventana "tardía" (<10,000 ns). En DEAP, este parámetro se llama Fprompt. Los eventos de tipo de retroceso nuclear tienen valores altos de Fprompt (~ 0,7) mientras que los eventos de retroceso electrónico tienen un valor de Fprompt bajo (~ 0,3). Debido a esta separación en Fprompt para eventos de tipo WIMP (retroceso nuclear) y de fondo (retroceso electrónico), es posible identificar de forma única las fuentes de fondo más dominantes en el detector.

El fondo más abundante en DEAP proviene de la desintegración beta del argón-39, que tiene una actividad de aproximadamente 1 Bq / kg en el argón atmosférico. Se requiere que la discriminación de los eventos de fondo beta y gamma de los retrocesos nucleares en la región energética de interés (cerca de 20 keV de energía electrónica) sea mejor que 1 en 108 para suprimir suficientemente estos fondos para una búsqueda de materia oscura en el argón atmosférico líquido.

DEAP-1

La primera etapa del proyecto DEAP, DEAP-1, se diseñó para caracterizar varias propiedades del argón líquido, demostrar la discriminación de la forma de pulso y perfeccionar la ingeniería. Este detector era demasiado pequeño para realizar búsquedas de materia oscura. DEAP-1 utilizó 7 kg de argón líquido como objetivo para las interacciones WIMP. Se utilizaron dos tubos fotomultiplicadores (PMT) para detectar la luz de centelleo producida por una partícula que interactúa con el argón líquido. Como la luz de centelleo producida es de longitud de onda corta (128 nm), se utilizó una película de cambio de longitud de onda para absorber la luz de centelleo ultravioleta y reemitirla en el espectro visible (440 nm), lo que permite que la luz pase a través de ventanas ordinarias sin pérdidas y eventualmente ser detectado por los PMT.

DEAP-1 demostró una buena discriminación de fondos en forma de pulso en la superficie y comenzó a operar en SNOLAB. La ubicación subterránea profunda redujo los eventos de fondo cosmogénicos no deseados . DEAP-1 se ejecutó de 2007 a 2011, incluidos dos cambios en la configuración experimental. DEAP-1 caracterizó los eventos de fondo, determinando las mejoras de diseño necesarias en DEAP-3600.

DEAP-3600

El detector DEAP-3600 fue diseñado para usar 3600 kg de argón líquido, con un volumen fiducial de 1000 kg, el volumen restante se usa como autoprotección y veto de fondo. Esto está contenido en un recipiente acrílico esférico de ~ 2 m de diámetro , el primero de su tipo jamás creado. El recipiente acrílico está rodeado por 255 tubos fotomultiplicadores (PMT) de alta eficiencia cuántica para detectar la luz de centelleo de argón. El recipiente de acrílico está alojado en una carcasa de acero inoxidable sumergida en un tanque de protección de 7,8 m de diámetro lleno de agua ultrapura. El exterior de la carcasa de acero tiene 48 PMT de veto adicionales para detectar la radiación de Cherenkov producida por las partículas cósmicas entrantes, principalmente muones .

Se requirió que los materiales utilizados en el detector DEAP se adhirieran a estrictos estándares de pureza de radio para reducir la contaminación de eventos de fondo. Todos los materiales utilizados se analizaron para determinar los niveles de radiación presentes, y los componentes internos del detector tenían requisitos estrictos para la emanación de radón , que emite radiación alfa de sus descendientes de desintegración . El recipiente interior está recubierto con material TPB de cambio de longitud de onda que se evaporó al vacío sobre la superficie. TPB es un material de desplazamiento de longitud de onda común utilizado en experimentos de argón líquido y xenón líquido debido a su rápida reemisión y alto rendimiento de luz, con un espectro de emisión de 425 nm, en la región de sensibilidad para la mayoría de PMT.

La sensibilidad proyectada de DEAP en términos de sección transversal del núcleo WIMP independiente de espín es de 10-46 cm 2 a 100 GeV / c 2 después de tres años en vivo de toma de datos.

Instituciones colaboradoras

Las instituciones colaboradoras incluyen:

Esta colaboración se beneficia en gran medida de la experiencia que muchos de los miembros e instituciones adquirieron en el proyecto Sudbury Neutrino Observatory (SNO), que estudió los neutrinos , otra partícula que interactúa débilmente.

Estado de DEAP-3600

Después de que se completó la construcción, el detector DEAP-3600 comenzó a tomar datos de puesta en marcha y calibración en febrero de 2015 con purga de gas nitrógeno en el detector. El llenado del detector se completó y la toma de datos para buscar materia oscura se inició el 5 de agosto de 2016. Poco después del llenado inicial del detector con argón líquido, un sello de junta tórica de butilo falló el 17 de agosto de 2016 y contaminó el argón con 100 ppm de N 2 El detector se ventiló y se volvió a llenar, pero esta vez a un nivel de 3300 kg para evitar que se repitiera la falla del sello: este segundo llenado se completó en noviembre de 2016. La primera búsqueda de materia oscura Los resultados con una exposición de 4,44 días vivos desde el llenado inicial se publicaron en agosto de 2017, dando un límite de sección transversal de 1,2 × 10 −44 cm 2 para una masa WIMP de 100 GeV / c 2 .

Se logró una sensibilidad mejorada a la materia oscura en febrero de 2019, con un análisis de los datos recopilados durante 231 días en vivo desde el segundo llenado en 2016-2017, lo que arroja un límite de sección transversal de 3.9 × 10 −45 cm 2 para 100 GeV / c. 2 masa WIMP. Este análisis actualizado demostró el mejor rendimiento jamás logrado en argón líquido en el umbral, para la técnica de discriminación de forma de pulso contra fondos beta y gamma. La colaboración también desarrolló nuevas técnicas para rechazar fondos de retroceso nuclear raros, utilizando la distribución observada de la luz en el espacio y el tiempo después de un evento de centelleo.

A partir de 2019, DEAP-3600 continúa buscando materia oscura.

Referencias

enlaces externos