Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Криогенные Dark Matter Search ( СУБКД ) представляет собой серию экспериментов , предназначенных для непосредственного обнаружения частиц темной материи в виде слабо взаимодействующих массивных частиц (или WIMPs) . Используя массив полупроводниковых детекторов при милликельвиновых температурах, CDMS временами устанавливал 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 проведен в туннеле под кампусом Стэнфордского университета . За ним последовал эксперимент CDMS II на руднике Судан . Самый последний эксперимент,SuperCDMS (или SuperCDMS Soudan ) был расположен глубоко под землей в шахте Судан в северной Миннесоте и собирал данные с 2011 по 2015 год. Серия экспериментов продолжается с SuperCDMS SNOLAB , экспериментом, расположенным на объекте SNOLAB около Садбери , Онтарио в Канаде, который начался строительство в 2018 году и ожидается, что сбор данных начнется в начале 2020-х годов.

Фон [ править ]

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 недостающей массы ответственна 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 находится в форме, которая обычно не наблюдается на Земле.

С течением времени выдвигался ряд предложенных кандидатов на роль недостающей массы. Ранние кандидаты включали тяжелые барионы , которые должны были быть созданы в результате Большого взрыва , но более поздние исследования нуклеосинтеза, кажется, исключили большинство из них. [1] Другим кандидатом являются новые типы частиц, известные как массивные частицы со слабым взаимодействием , или «WIMP». 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 [ править ]

Детекторы CDMS измеряют ионизацию и фононы, создаваемые каждым взаимодействием частиц в их кристаллических подложках германия и кремния . [1] Эти два измерения определяют энергию, выделяемую кристаллом 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.

Исходя из суперсимметрии , вероятность независимого от спина взаимодействия между WIMP 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 смогут 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 холодильника 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 датчиков края сверхпроводящего перехода (TES), считываемых усилителями SQUID , в то время как сигналы ионизации считываются с помощью усилителя на полевых транзисторах . Детекторы CDMS также предоставляют данные о форме фононного импульса, что имеет решающее значение для отражения приповерхностных фоновых событий.

История [ править ]

Одновременное обнаружение ионизации и тепла с полупроводниками при низкой температуре было впервые предложено Бласом Кабрерой , Лоуренсом М. Крауссом и Франком Вильчеком . [2]

CDMS Я собрал данные поиска WIMP на неглубоком подземном участке (называемом SUF) в Стэнфордском университете в 1998–2002 годах. CDMS II работала (в сотрудничестве с Университетом Миннесоты ) на руднике Судан с 2003 по 2009 год (данные за 2006-2008 годы). [3] Самый новый эксперимент, SuperCDMS (или SuperCDMS Soudan), с чередующимися электродами, большей массой и даже лучшим подавлением фона, собирал данные на Soudan 2011-2015. Серия экспериментов продолжается с SuperCDMS SNOLAB, которая в настоящее время (2018 г.) строится в SNOLAB и будет завершена в начале 2020-х годов.

Серия экспериментов также включает эксперимент CDMSlite, в котором детекторы SuperCDMS в Судане использовались 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.

Результаты [ править ]

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 смогла исключить ложные срабатывания из фонового шума, такого как как столкновения нейтронов . Подсчитано, что такой шум будет вызывать два или более события в 25% случаев. [4] Для уменьшения нейтронного фона были установлены поглотители из полиэтилена. [5]

Анализ 2011 года с более низкими энергетическими порогами искал доказательства существования маломассивных вимпов (M <9 ГэВ). Их пределы исключают намеки, заявленные в новом эксперименте с германием под названием CoGeNT и давнем результате ежегодной модуляции DAMA / NaI , DAMA / LIBRA . [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 не является окончательным доказательством существования WIMP, это придает весомость 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 года по июнь 2013 года были опубликованы в июне 2014 года, обнаружив 11 событий в сигнальной области для WIMP с массой менее 30 ГэВ и установив верхний предел для спин-независимого сечения, что не благоприятствовало недавнему сигналу с низкой массой CoGeNT. [8]

SuperCDMS SNOLAB [ править ]

Второе поколение SuperCDMS планируется для SNOLAB . [9] [10] Это расширение 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 толщины в Судане. [9] [10]
  • Их больше, с местом для 31 «башни» по шесть дисков в каждой [11] : 7, хотя операция начнется только 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 так велико, потому что около 25% детекторов будут сделаны из кремния [11] : 7, который весит всего 44%. [13] : 1 Если при таком соотношении заполнить все 31 башню, получится около 222 кг.

Несмотря на то, что реализация проекта неоднократно откладывалась (ранее планировалось, что строительство начнется в 2014 [14] и 2016 [12] : 18–25 ), он остается активным [13] с выделенными площадями в SNOLAB и запланированным началом строительства в начале 2018. [9] : 9

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

Предложение GEODM [ править ]

Предусматривается третье поколение SuperCDMS [9], хотя все еще находится на ранней стадии планирования. GEODM ( Ge rmanium O bservatory для D ковчега М Atter), с примерно 1500 кг массы детектора, выразил интерес к SNOLAB «Cryopit» расположение. [16]

Увеличение массы детектора делает его 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.

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c "WIMP Dark Matter" Архивировано 01 июня 2002 г. в Wayback Machine , CDMSII Overview , Калифорнийский университет, Беркли.
  2. ^ Б. Кабрера ; Л. М. Краусс ; F. Wilczek (июль 1985 г.), "Болометрическое обнаружение нейтрино", Phys. Rev. Lett. , 55 (1): 25-28, Bibcode : 1985PhRvL..55 ... 25C , DOI : 10,1103 / PhysRevLett.55.25 , PMID  10031671
  3. ^ Ananthaswamy, Анил (2010-03-02). 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.». Архивировано 18 июня 2010 г., на Wayback Machine.
  5. ^ "Криостат CDMS без детекторов" . Архивировано из оригинала на 2000-08-18 . Проверено 23 сентября 2011 .
  6. ^ СУБКД Collaboration (21 апреля 2011). «Результаты низкоэнергетического анализа данных CDMS II по германию». Письма с физическим обзором . 106 (13): 131302. arXiv : 1011.2482 . Bibcode : 2011PhRvL.106m1302A . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.106.131302 . PMID 21517371 . S2CID 9879642 .  
  7. ^ Сотрудничество CDMS (4 мая 2013 г.). «Результаты поиска темной материи с использованием кремниевых детекторов CDMS II». Письма с физическим обзором . 111 (25): 251301. arXiv : 1304.4279 . Bibcode : 2013PhRvL.111y1301A . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.111.251301 . PMID 24483735 . S2CID 3073653 .  
  8. ^ Agnese, R .; Андерсон, AJ; Asai, M .; Балакишиева, Д .; Basu Thakur, R .; Бауэр, Д.А.; Beaty, J .; Billard, J .; Borgland, A .; Боулз, Массачусетс; Brandt, D .; Brink, PL; Bunker, R .; Cabrera, B .; Колдуэлл, Д. О.; Cerdeno, DG; Chagani, H .; Chen, Y .; Cherry, M .; Cooley, J .; Cornell, B .; Крудсон, Швейцария; Cushman, P .; Daal, M .; Devaney, D .; Ди Стефано, ФКП; Silva, E. Do Couto E .; Даути, Т .; Esteban, L .; и другие. (20 июня 2014 г.). «Поиск маломассивных WIMP с помощью SuperCDMS». Phys. Rev. Lett . 112 (24): 241302. arXiv : 1402.7137 . Bibcode : 2014PhRvL.112x1302A . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.112.241302 . HDL: 1721.1 / 88645 . PMID  24996080 .
  9. ^ a b c d Кушман, Присцилла (2012-07-22), «Криогенный поиск темной материи: состояние и планы на будущее» (PDF) , Конференция IDM
  10. ^ a b Saab, Tarek (2012-08-01), "The SuperCDMS Dark Matter Search" (PDF) , SLAC Summer Institute 2012 , SLAC National Accelerator Laboratory , получено 2012-11-28 ( презентация )
  11. ^ a b Рау, Вольфганг (25 июля 2017 г.). SuperCDMS SNOLAB - Статус и планы . XV Международная конференция по темам астрономической физики и подземной физики (TAUP 2017) . Садбери , Канада.
  12. ^ a b 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. ^ a b Agnese, R .; и другие. (Совместная работа SuperCDMS) (07.04.2017). «Прогнозируемая чувствительность эксперимента SuperCDMS SNOLAB» (PDF) . Physical Review D . 95 (8): 082002. arXiv : 1610.00006 . Bibcode : 2017PhRvD..95h2002A . DOI : 10.1103 / PhysRevD.95.082002 . S2CID 32272925 .  
  14. ^ «Второе поколение темной материи эксперимент подходит к SNOLAB» (пресс - релиз). СНОЛАБ. 2014-07-18 . Проверено 18 сентября 2014 .
  15. ^ «Строительство начинается на эксперименте с темной материей SuperCDMS» .
  16. ^ Golwala, Сунил (2011-08-15). GEODM Интерес к криоэпилятору SNOLAB (PDF) .

Внешние ссылки [ править ]

  • Веб-сайт SuperCDMS