ArDM

ArDM ( Argon Dark Matter ) był eksperymentem fizyki cząstek elementarnych opartym na detektorze ciekłego argonu , mającym na celu pomiar sygnałów z WIMP (Weakly Interacting Massive Particles), które mogą stanowić ciemną materię we wszechświecie. Elastyczne rozpraszanie WIMP z jąder argonu można zmierzyć obserwując swobodne elektrony z jonizacji i fotony ze scyntylacji , które są wytwarzane przez odbijające się jądro w interakcji z sąsiednimi atomami. Sygnały jonizacji i scyntylacji można mierzyć za pomocą dedykowanych technik odczytowych, które stanowiły podstawową część detektora.

W celu uzyskania odpowiednio dużej masy docelowej jako materiał docelowy zastosowano gaz szlachetny argon w fazie ciekłej. Ponieważ temperatura wrzenia argonu wynosi 87 K przy normalnym ciśnieniu, działanie detektora wymagało układu kriogenicznego .

Eksperyment ArDM zakończył się w 2019 roku, kiedy wstrzymano zbieranie danych i wycofano z eksploatacji aparaturę eksperymentu. Aparatura eksperymentu ArDM została następnie ponownie wykorzystana w innym eksperymencie fizycznym, DArT (część programu DarkSide), w Canfranc Underground Laboratory .

ArDM nie znalazł sygnałów cząstek ciemnej materii.

Wykrywanie WIMP-ów za pomocą argonu

Detektor ArDM miał na celu bezpośrednie wykrywanie sygnałów z WIMP-ów poprzez elastyczne rozpraszanie z jąder argonu. Podczas rozpraszania pewna energia odrzutu – zwykle mieszcząca się w przedziale od 1 keV do 100 keV – jest rzekomo przenoszona z WIMP do jądra argonu.

Nie wiadomo, jak często można spodziewać się sygnału z interakcji WIMP-argon (jeśli w ogóle). Szybkość ta zależy od właściwości WIMP. Jednym z najpopularniejszych kandydatów na WIMP jest najlżejsza supersymetryczna cząstka (LSP) lub neutralino z teorii supersymetrycznych . Jego przekrój z nukleonami przypuszczalnie mieści się między 10-12 pb a 10-6 pb , co sprawia, że ​​interakcje WIMP-nukleon są rzadkim zdarzeniem. Całkowitą częstość zdarzeń można zwiększyć, optymalizując właściwości celu, takie jak zwiększenie masy celu. Detektor ArDM miał zawierać około jednej tony ciekłego argonu. Ta masa docelowa odpowiadała częstości zdarzeń wynoszącej około 100 zdarzeń dziennie przy przekroju poprzecznym 10-6 pb lub 0,01 zdarzeń dziennie przy 10-10 pb .

Częstotliwość małych zdarzeń wymaga silnego odrzucania tła. Ważnym tłem dla detektorów opartych na argonie jest obecność niestabilnego 39 Ar w naturalnym argonie skroplonym z atmosfery. 39 Ar ulega rozpadowi beta z okresem półtrwania 269 lat i punktem końcowym widma beta przy 565 keV. Stosunek jonizacji do scyntylacji z interakcji elektronów i gamma jest inny niż powinien powodować rozpraszanie WIMP. Tło 39 Ar jest zatem dobrze rozróżnialne, z dokładnym określeniem stosunku jonizacji do scyntylacji. Jako alternatywę rozważano wykorzystanie zubożonego argonu z podziemnych studni.

Neutrony emitowane przez elementy detektora i materiały otaczające detektor oddziałują z argonem w taki sam sposób, jak domniemane WIMP-y. Tło neutronowe jest zatem prawie nie do odróżnienia i musi być jak najlepiej zredukowane, na przykład poprzez staranny dobór materiałów detektora. Ponadto konieczne jest oszacowanie lub pomiar pozostałego strumienia neutronów.

Detektor został umieszczony pod ziemią, aby uniknąć tła wywołanego przez promieniowanie kosmiczne .

Historia

Detektor ArDM został zmontowany i przetestowany w CERN w 2006 roku. Naziemne badania sprzętu i działania detektora przeprowadzono przed przeniesieniem go pod ziemię w 2012 roku w podziemnym laboratorium Canfranc w Hiszpanii. Został uruchomiony i przetestowany w temperaturze pokojowej. Podczas podziemnego przejazdu w kwietniu 2013 r. wydajność świetlna uległa poprawie w porównaniu z warunkami powierzchniowymi. Zaplanowano przebiegi z zimnym gazem argonowym, jak również dalszy rozwój detektora. Wyniki badań ciekłego argonu zaplanowano na 2014 rok.

Poza wersją jednotonową rozmiar detektora można zwiększyć bez zasadniczej zmiany jego technologii. Dziesięciotonowy detektor ciekłego argonu był rozważany jako możliwość rozszerzenia ArDM. Eksperymenty z wykrywaniem ciemnej materii w skali od 1 kg do 100 kg z negatywnymi wynikami wykazały konieczność eksperymentów w skali tonowej.

Przyszłe kierunki

Projekt ciekłego Dewara argonowego DarkSide-50 zawierającego dwufazowy TPC.

Pomimo badania z natury „ciemnej” materii, przyszłość rozwoju detektora ciemnej materii wydaje się jasna. „Program Ciemnej Strony”, którego ArDM był członkiem, to konsorcjum, które przeprowadziło i nadal rozwija nowe eksperymenty oparte na ciekłym skondensowanym argonie atmosferycznym (LAr), zamiast ksenonu. Jeden z najnowszych aparatów Ciemnej Strony, Dark Side-50 (DS-50), wykorzystuje metodę znaną jako „dwufazowe komory do projekcji czasu z ciekłym argonem (LAr TPC)”, która pozwala na trójwymiarowe określenie pozycji zdarzeń kolizji utworzonych przez elektroluminescencja cząstkami ciemnej materii. Program Dark Side opublikował swoje pierwsze wyniki w 2015 r., jak dotąd są to najbardziej czułe wyniki wykrywania ciemnej materii na bazie argonu. Metody oparte na LAr stosowane w przyszłych urządzeniach stanowią alternatywę dla detektorów opartych na ksenonie i mogą potencjalnie doprowadzić w niedalekiej przyszłości do nowych, bardziej czułych detektorów wielotonowych.

Linki zewnętrzne

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=ArDM&oldid=1132251983 ”