ANAIS-112

Eksperyment ANAIS-112
Status prawny	Zbieranie danych od 03-08-2017
Zamiar	Testowanie dodatniego sygnału rocznej modulacji zgłoszonego przez DAMA/LIBRA
Siedziba	Laboratorium podziemne Canfranc , Hiszpania
Pola	Wyszukiwanie ciemnej materii, fizyka astrocząstek
Strona internetowa	https://gifna.unizar.es/anais/

ANAIS (Annual modulation with NaI Scintillators ) to eksperyment z bezpośrednią detekcją ciemnej materii , zlokalizowany w Canfranc Underground Laboratory (LSC) w Hiszpanii.

Celem ANAIS jest potwierdzenie lub obalenie w sposób niezależny od modelu pozytywnego wyniku eksperymentu DAMA/LIBRA : rocznej modulacji współczynnika detekcji niskoenergetycznej posiadającej wszystkie cechy oczekiwane dla sygnału indukowanego przez słabo oddziałujące cząstki ciemnej materii ( WIMP ) w standardowe halo galaktyczne . Modulacja ta powstaje w wyniku obrotu Ziemi wokół Słońca. Modulacja z wszystkimi cechami ciemnej materii (DM) była obserwowana przez około 20 lat przez DAMA/LIBRA, ale jest w silnym napięciu z negatywnymi wynikami innych eksperymentów z bezpośrednią detekcją DM. Zgodność między różnymi wynikami eksperymentów w większości konwencjonalnych scenariuszy WIMP-DM jest w rzeczywistości niekorzystna, ale jest silnie zależna od rozważanych modeli cząstek DM i halo. Porównanie przy użyciu tego samego materiału docelowego, NaI (Tl), jest bardziej bezpośrednie i prawie niezależne od modelu.

Eksperymentalna konfiguracja i wydajność

Zestaw eksperymentalny ANAIS-112 składa się z 112, 5 kg NaI (Tl), rozmieszczonych w 9 cylindrycznych modułach po 12, 5 kg każdy i zbudowanych przez Alpha Spectra Inc., ułożonych w konfiguracji 3 × 3.

Wśród najistotniejszych cech modułów ANAIS-112 na podkreślenie zasługuje niezwykła jakość optyczna, która w połączeniu z zastosowaniem fotopowielaczy Hamamatsu (PMT) o wysokiej wydajności kwantowej daje bardzo wysoki zbiór światła, na poziomie 15 fotoelektronów ( phe) na keV we wszystkich dziewięciu modułach. Sygnały z dwóch PMT podłączonych do każdego modułu są przetwarzane na postać cyfrową z szybkością 2 GS/s w oknie 1,2 μs z wysoką rozdzielczością (14 bitów ). Wyzwalanie wymaga zbieżności dwóch sygnałów wyzwalających PMT w oknie 200 ns, podczas gdy indywidualne wyzwalanie PMT jest ustawione na poziomie pojedynczego Phe.

Inną interesującą cechą jest okienko Mylar pośrodku jednej z bocznych powierzchni detektorów, które umożliwia jednoczesną kalibrację dziewięciu modułów z zewnętrznymi źródłami promieniowania rentgenowskiego / gamma do 10 keV w środowisku wolnym od radonu . Dokładna kalibracja niskiej energii obszaru zainteresowania (ROI), od 1 do 6 keV, jest przeprowadzana poprzez połączenie informacji z zewnętrznych kalibracji i tła. Zewnętrzne kalibracje ze ¹⁰⁹ Cd są wykonywane co dwa tygodnie, a co 1,5 miesiąca osadzanie energii przy 3,2 i 0,87 keV z zanieczyszczeń wewnętrznych ⁴⁰ K i ²² Na w jednym module ANAIS jest wybierane przez wykorzystanie koincydencji z wysokoenergetyczną gamma w drugi moduł.

Eksperyment ANAIS-112 jest zainstalowany wewnątrz osłony składającej się z wewnętrznej warstwy 10 cm ołowiu archeologicznego i zewnętrznej warstwy 20 cm ołowiu o niskiej aktywności. Ta ołowiana osłona jest umieszczona w antyradonowej , szczelnie zamkniętej i utrzymywanej pod nadciśnieniem za pomocą azotu bez radonu . Zewnętrzna warstwa osłony ( ekran neutronowy ) składa się z 40 cm kombinacji zbiorników na wodę i cegieł polietylenowych . Aktywne weto składające się z 16 plastikowych scyntylatorów jest umieszczone między skrzynką antyradonową a osłoną neutronową , zakrywając górę i boki zestawu, umożliwiając skuteczne oznaczenie resztkowego strumienia mionów na miejscu wzdłuż zbierania danych ANAIS-112. ANAIS-112 został uruchomiony wiosną 2017 r. i rozpoczął fazę zbierania danych w hali B LSC 3 sierpnia 2017 r. pod nadkładem skalnym o masie 2450 mwe. „Czas życia” eksperymentu, przydatny do analizy, wynosi ponad 95%, co pozwala na osiągnięcie wysokiego cyklu pracy. Przestoje wynikają głównie z okresowej kalibracji modułów.

Konfiguracja ANAIS-112 w LSC.

Osiągnięto zrozumienie tła, z wyjątkiem obszaru energii [1-2] keV, gdzie model tła zaniża zmierzoną częstość zdarzeń. Dominującym źródłem tła jest zanieczyszczenie masą kryształów, przy czym ²¹⁰ Pb, ⁴⁰ K, ²² Na, ³ H jest najbardziej odpowiedni w regionie będącym przedmiotem zainteresowania. Biorąc pod uwagę łącznie dziewięć modułów ANAIS-112, średnie tło w ROI wynosi 3,6 cpd/kg/keV po trzech latach zbierania danych, podczas gdy tło DAMA/LIBRAphase2 wynosi poniżej 0,80 cpd/kg/keV w [1–2] keV przedział energii, poniżej 0,24 cpd/kg/keV w przedziale energii [2–3] keV i poniżej 0,12 cpd/kg/keV w przedziale energii [3–4] keV.

Roczna analiza i wyniki modulacji

Opracowanie protokołów filtrowania opartych na kształcie impulsu i współdzieleniu światła między dwoma PMT było kluczowe dla osiągnięcia celu ANAIS-112, ponieważ częstotliwość wyzwalania w ROI jest zdominowana przez zdarzenia scyntylacyjne niezwiązane z masą . Określenie odpowiedniej wydajności jest bardzo ważne i jest obliczane na podstawie zdarzeń ¹⁰⁹ Cd, ⁴⁰ K i ^{22 Na.} Jest bardzo blisko 100% do 2 keV, a następnie gwałtownie spada do około 15% przy 1 keV, gdzie ustawiony jest próg analizy.

Zastosowano ślepy protokół do rocznej analizy modulacji danych ANAIS-112: zdarzenia pojedynczego trafienia w ROI są zaślepione podczas wyboru zdarzenia . Do tej pory przeprowadzono trzy odsłonięcia danych: po 1,5 roku, po 2 latach i po 3 latach, co odpowiada ekspozycji odpowiednio 157,55, 220,69 i 313,95 kg×y. Wyszukiwanie rocznej modulacji ANAIS-112 odbywa się w tych samych regionach, które zostały zbadane przez współpracę DAMA / LIBRA, [1–6] keV i [2–6] keV, ustalając okres na 1 rok i maksimum modulacji na 2 czerwca.

₀₀ Aby ocenić istotność statystyczną możliwej modulacji w danych ANAIS-112, częstość zdarzeń dziewięciu detektorów jest obliczana w przedziałach 10-dniowych i minimalizowana χ 2 ⁼ Σ _i (n _i − μ _i ) ² / σ ²_i , gdzie n _i to liczba zdarzeń w przedziale czasu t _i (skorygowana o czas życia i wydajność detektora), σ _i to odpowiednia niepewność Poissona , odpowiednio skorygowana, a μ _i to oczekiwana liczba zdarzeń w tym przedziale czasu , która zależy od modelu tła i może być zapisana jako: μ _i = [R φ _bkg (t _i ) + S _m cos(ω(t _i − t ))]M∆E∆t.

₀₀₀ Tutaj R reprezentuje niemodulowaną szybkość w eksperymencie, $funkcją$ rozkładu prawdopodobieństwa (PDF) w czasie dowolnej niemodulowanej składowej, S _m . , ω jest ustalone na 2π/365 d = 0,01721 rad d ⁻¹ , t do −62,2 d (początek czasu przyjęto 3 sierpnia, a następnie maksimum cosinusa przypada na 2 czerwca), M to całkowita masa detektora, ∆E jest szerokością przedziału energii, a ∆t szerokością przedziału czasu. R jest parametrem wolnym, podczas gdy S _m jest albo ustalone na 0 (dla hipotezy zerowej), albo pozostawione bez ograniczeń, dodatnie lub ujemne (dla hipotezy modulacji).

Hipoteza zerowa jest dobrze poparta dla danych z 3 lat w obu regionach energetycznych, ponieważ wyniki dla dwóch modeli tła (pojedynczy wykładniczy lub plik PDF oparty na modelu tła Monte Carlo ) są zgodne. Odchylenie standardowe σ(S _m ) jest nieco niższe, gdy detektory są rozpatrywane niezależnie, zgodnie z oczekiwaniami wynikającymi z analizy czułości z góry. Dlatego to dopasowanie jest wybrane, aby podać końcowy wynik rocznej modulacji ANAIS-112 i czułość dla trzyletniej ekspozycji. Najlepsze dopasowania są niezgodne z wynikiem DAMA/LIBRA przy 3,3 i 2,6 σ w obszarach energii [1-6] i [2-6] keV, dla czułości 2,5 (2,7) σ przy [1–6] keV ([ 2–6] keV). Wyniki ANAIS-112 dla 1,5, 2 i 3 lat zbierania danych w pełni potwierdzają projekcję wrażliwości.

**Wyniki rocznej modulacji w ciągu trzech lat danych ANAIS-112. Wyniki DAMA/LIBRA i COSINE-100 są również pokazane** n.
Sm (cpd/kg/keV ₎
Region energetyczny	ANAIS-112	DAMA/LIBRA	COSINE-100
[1-6] keV	-0,0034 ± 0,0042	0,0105 ± 0,0011	-
[2-6] keV	0,0003 ± 0,0037	0,0102 ± 0,0008	0,0092 ± 0,0067

Wyniki ANAIS-112 potwierdzają perspektywy osiągnięcia czułości powyżej 3σ w 2022 r., w ciągu zaplanowanych 5 lat zbierania danych.

Przeprowadzono kilka kontroli spójności (zmiana liczby detektorów wprowadzanych do dopasowania, biorąc pod uwagę tylko pierwsze dwa lata lub dwa ostatnie lata lub zmiana rozmiaru przedziału czasu), stwierdzając, że nie ma żadnej wskazówki potwierdzającej istotne systematyczne niepewności w wynik. Wykonanie dużego zestawu pseudoeksperymentów Monte Carlo pobranych z modelu tła gwarantuje, że dopasowanie nie jest obciążone. Przeprowadzono również analizę częstotliwościową i wyciągnięto wniosek, że nie ma statystycznie istotnej modulacji w zakresie częstotliwości przeszukiwanym w danych ANAIS-112.

Perspektywy na przyszłość

Ograniczenie czułości ANAIS-112 wynika głównie z wysokiego tła w ROI, ale w szczególności w obszarze od 1 do 2 keV. W tym kontekście zastosowanie obecnie opracowywanych technik uczenia maszynowego opartych na wspomaganych drzewach decyzyjnych (BDT) mogłoby poprawić odrzucanie tych niemasowych zdarzeń scyntylacyjnych. Wstępne wyniki wskazują na istotną poprawę czułości. Przedłużenie zbierania danych o kolejny rok, do sierpnia 2023, mogłoby pozwolić na testowanie DAMA/LIBRA na poziomie 4σ.

Jedną z możliwych systematyki wpływającej na porównanie wyników DAMA/LIBRA i ANAIS jest możliwa inna reakcja detektora na odrzuty jądrowe, ponieważ oba eksperymenty są kalibrowane przy użyciu promieni rentgenowskich/gamma. Powszechnie wiadomo, że scyntylacja jest silnie tłumiona dla energii zdeponowanej przez odrzut jądrowy w stosunku do tej samej energii zdeponowanej przez elektrony. Pomiary współczynników wygaszania (QF) w scyntylatorach NaI obarczone są dużymi rozbieżnościami. Detektory ANAIS-112 QF są ustalane po pomiarach w TUNL. Ponadto opracowywany jest kompletny program kalibracji eksperymentu z wykorzystaniem źródeł neutronów na miejscu.

Dane ANAIS-112 są dostępne na żądanie. Po zaplanowanym pięcioletnim zbieraniu danych dane zostaną udostępnione.

Linki zewnętrzne