KSENON

W przypadku innych zastosowań zobacz Xenon (ujednoznacznienie) .

Projekt badawczy XENON dotyczący ciemnej materii , prowadzony we włoskim Laboratorium Narodowym Gran Sasso , to głęboko podziemny detektor, w którym przeprowadzane są coraz ambitniejsze eksperymenty mające na celu wykrywanie hipotetycznych cząstek ciemnej materii . Eksperymenty mają na celu wykrycie cząstek w postaci słabo oddziałujących masywnych cząstek (WIMP) poprzez poszukiwanie rzadkich interakcji odrzutu jądrowego w docelowej komorze ciekłego ksenonu . Detektor prądu składa się z dwufazowej komory projekcji czasu (TPC).

Eksperyment wykrywa sygnały scyntylacyjne i jonizacyjne powstające, gdy cząstki zewnętrzne oddziałują w objętości ciekłego ksenonu, aby wyszukać nadmiar zdarzeń odrzutu jądrowego na znanym tle. Wykrycie takiego sygnału dostarczyłoby pierwszych bezpośrednich dowodów eksperymentalnych na cząstki kandydujące na ciemną materię. Obecnie współpracą kieruje włoska profesor fizyki Elena Aprile z Uniwersytetu Columbia .

Zasada detektora

Szkic zasady działania ksenonowego dwufazowego TPC

Eksperyment XENON wykorzystuje dwufazową komorę do projekcji czasu (TPC), która wykorzystuje płynny ksenon z fazą gazową na górze. Dwa układy fotopowielaczy (PMT), jeden na górze detektora w fazie gazowej (GXe) i jeden na dole warstwy cieczy (LXe), wykrywają światło scyntylacyjne i elektroluminescencyjne wytwarzane podczas interakcji naładowanych cząstek w detektorze . Pola elektryczne są przykładane zarówno do fazy ciekłej, jak i gazowej detektora. Pole elektryczne w fazie gazowej musi być wystarczająco duże, aby wydobyć elektrony z fazy ciekłej.

Oddziaływania cząstek w ciekłym celu powodują scyntylację i jonizację . Natychmiastowe światło scyntylacyjne wytwarza fotony ultrafioletowe o długości fali 178 nm. Ten sygnał jest wykrywany przez PMT i jest określany jako sygnał S1. Przyłożone pole elektryczne zapobiega rekombinacji wszystkich elektronów powstałych w wyniku interakcji naładowanych cząstek w TPC. Te elektrony są przenoszone na górę fazy ciekłej przez pole elektryczne. Jonizacja jest następnie usuwana do fazy gazowej przez silniejsze pole elektryczne w fazie gazowej. Pole elektryczne przyspiesza elektrony do punktu, w którym wytwarza proporcjonalny sygnał scyntylacyjny, który jest również zbierany przez PMT i jest określany jako sygnał S2. Ta technika okazała się wystarczająco czuła, aby wykrywać sygnały S2 generowane przez pojedyncze elektrony.

Detektor pozwala na pełne trójwymiarowe określenie pozycji oddziaływania cząstek. Elektrony w ciekłym ksenonie mają jednakową prędkość dryfu. Pozwala to na określenie głębokości interakcji zdarzenia poprzez pomiar opóźnienia czasowego między sygnałami S1 i S2. Położenie zdarzenia na płaszczyźnie xy można określić, patrząc na liczbę fotonów widzianych przez każdy z poszczególnych PMT. Pełna trójwymiarowa pozycja pozwala na fiducializację detektora, w którym obszar o niskim tle jest zdefiniowany w wewnętrznej objętości TPC. Ta objętość odniesienia ma znacznie zmniejszoną częstość zdarzeń tła w porównaniu z obszarami detektora na krawędzi TPC, ze względu na samoosłonowe właściwości ciekłego ksenonu. Pozwala to na znacznie większą czułość podczas wyszukiwania bardzo rzadkich zdarzeń.

Oczekuje się, że naładowane cząstki poruszające się przez detektor będą oddziaływać albo z elektronami atomów ksenonu, wytwarzając odrzut elektronowy, albo z jądrem, wytwarzając odrzut jądrowy. Dla danej ilości energii zdeponowanej przez interakcję cząstek w detektorze, stosunek S2/S1 może być użyty jako parametr dyskryminacji do rozróżnienia zdarzeń odrzutu elektronicznego i jądrowego. Oczekuje się, że stosunek ten będzie większy w przypadku odrzutów elektronicznych niż w przypadku odrzutów jądrowych. W ten sposób tła z odrzutów elektronicznych można stłumić o ponad 99%, przy jednoczesnym zachowaniu 50% zdarzeń odrzutu jądrowego.

XENON10

Kriostat i osłona XENON100. Osłona składa się z zewnętrznej warstwy wody o grubości 20 cm, warstwy ołowiu o grubości 20 cm, warstwy polietylenu o grubości 20 cm oraz wewnętrznej warstwy miedzi o grubości 5 cm

Eksperyment XENON10 został zainstalowany w podziemnym laboratorium Gran Sasso we Włoszech w marcu 2006 roku. Podziemna lokalizacja laboratorium zapewnia 3100 m równoważnej wodzie ekranu. Detektor umieszczono w osłonie, aby jeszcze bardziej zmniejszyć częstość tła w TPC. XENON10 został pomyślany jako prototypowy detektor, aby udowodnić skuteczność konstrukcji XENON, a także zweryfikować osiągalny próg, moc odrzucania tła i czułość. Detektor XENON10 zawierał 15 kg ciekłego ksenonu. Czuła objętość TPC ma średnicę 20 cm i wysokość 15 cm.

Analiza danych z 59 żywych dni, przeprowadzona między październikiem 2006 a lutym 2007, nie dała żadnych podpisów WIMP. Liczba zdarzeń zaobserwowanych w obszarze wyszukiwania WIMP jest statystycznie zgodna z oczekiwaną liczbą zdarzeń z tła elektronicznego odrzutu. ten 10 × 10-43 cm 2 wykluczył część dostępnej przestrzeni parametrów w minimalnych modelach supersymetrycznych , poprzez nałożenie ograniczeń na niezależne od spinu przekroje WIMP-nukleon do poniżej dla masy WIMP 30 GeV/ c 2 .

Ponieważ prawie połowa naturalnego ksenonu ma nieparzyste stany spinowe ( 129 Xe ma obfitość 26% i spin-1/2; 131 Xe ma obfitość 21% i spin-3/2), detektory XENON mogą być również stosowane aby zapewnić ograniczenia dotyczące przekrojów poprzecznych WIMP-nukleonu zależnych od spinu dla sprzęgania kandydata na cząstkę ciemnej materii zarówno z neutronami, jak i protonami. XENON10 ustanowił najbardziej rygorystyczne na świecie ograniczenia dotyczące czystego sprzężenia neutronów.

XENON100

Borrom PMT Array of XENON100
Górna macierz PMT XENON100 zawiera 98 Hamamatsu R8520-06-A1 PMT. PMT na górnej tablicy są umieszczone w koncentrycznych okręgach, aby poprawić rekonstrukcję promieniowej pozycji obserwowanych zdarzeń.
Borrom PMT Array of XENON100
Dolna matryca PMT XENON100 zawiera 80 PMT, które są rozmieszczone tak blisko siebie, jak to możliwe, aby zmaksymalizować wydajność zbierania światła.

Detektor drugiej fazy, XENON100, zawiera 165 kg ciekłego ksenonu, z czego 62 kg znajduje się w obszarze docelowym, a pozostała część ksenonu w aktywnym wecie. TPC detektora ma średnicę 30 cm i wysokość 30 cm. Ponieważ oczekuje się, że interakcje WIMP będą niezwykle rzadkie, podczas fazy budowy i uruchamiania XENON100 rozpoczęto gruntowną kampanię mającą na celu sprawdzenie wszystkich części detektora pod kątem radioaktywności. Badanie przesiewowe przeprowadzono przy użyciu detektorów germanowych o wysokiej czystości . W kilku przypadkach wykonano spektrometrię mas na próbkach tworzyw sztucznych o małej masie. W ten sposób cel projektowy < 10-2 zdarzeń/kg/dzień/keV, realizując najniższy na świecie detektor ciemnej materii.

Detektor został zainstalowany w Gran Sasso National Laboratory w 2008 roku w tej samej osłonie co detektor XENON10 i przeprowadził kilka badań naukowych. W każdym cyklu naukowym nie zaobserwowano żadnego sygnału ciemnej materii powyżej oczekiwanego 10-45 cm 2 dla 65 tła, co doprowadziło do najbardziej rygorystycznego ograniczenia przekroju poprzecznego nukleonu WIMP niezależnego od spinu, z minimum 2,0 × GeV / c 2 masa WIMP. Wyniki te ograniczają interpretacje sygnałów z innych eksperymentów jako interakcji ciemnej materii i wykluczają egzotyczne modele, takie jak nieelastyczna ciemna materia, które rozwiązałyby tę rozbieżność. Projekt XENON100 zapewnił również ulepszone ograniczenia przekroju poprzecznego nukleonu WIMP zależnego od spinu. Jakiś axion został opublikowany w 2014 r., wyznaczając nowy najlepszy limit axion.

XENON100 przeprowadził eksperyment z najniższym wówczas tłem, do wyszukiwania ciemnej materii, z tłem 50 mDRU (1 mDRU = 10-3 zdarzeń /kg/dzień/keV).

XENON1T

Budowa kolejnej fazy, XENON1T, rozpoczęła się w hali B Laboratorium Narodowego w Gran Sasso w 2014 r. Detektor zawiera 3,2 tony ultraczystego ciekłego ksenonu i ma objętość około 2 ton. Detektor mieści się w 10-metrowym zbiorniku wodnym, który pełni funkcję weta mionowego. TPC ma 1 m średnicy i 1 m wysokości.

Zespół projektu detektora, zwany XENON Collaboration, składa się ze 135 badaczy z 22 instytucji z Europy, Bliskiego Wschodu i Stanów Zjednoczonych.

Górna granica niezależnego od spinu przekroju poprzecznego WIMP-nukleonu według ostatnich danych (opublikowanych w listopadzie 2017 r.)

Pierwsze wyniki z XENON1T zostały opublikowane w ramach współpracy XENON 18 maja 2017 r., w oparciu o 34 dni zbierania danych między listopadem 2016 r. a styczniem 2017 r. Chociaż oficjalnie nie wykryto żadnych WIMP ani sygnałów kandydatów na ciemną materię, zespół ogłosił rekord niska redukcja poziomów radioaktywności tła wychwytywanych przez XENON1T. Granice wykluczenia przekroczyły poprzednie najlepsze granice wyznaczone w eksperymencie LUX , z wyłączeniem przekrojów poprzecznych większych niż 7,7 × 10 −47 cm 2 dla mas WIMP 35 GeV/ c 2 . Ponieważ niektóre sygnały odbierane przez detektor mogą pochodzić od neutronów, zmniejszenie radioaktywności zwiększa czułość WIMP .

We wrześniu 2018 roku eksperyment XENON1T opublikował wyniki z 278,8 dni zbierania danych. Ustanowiono nowy rekordowy limit oddziaływań sprężystych niezależnych 30 GeV/ c od spinu WIMP-nukleon, z minimum 2 4,1 × 10-47 cm 2 przy masie WIMP .

W kwietniu 2019 r., na podstawie pomiarów wykonanych detektorem XENON1T, XENON Collaboration poinformowało w Nature o pierwszej bezpośredniej obserwacji podwójnego wychwytu elektronów przez dwa neutrina w jądrach ksenonu-124. Zmierzony okres półtrwania tego procesu, który jest o kilka rzędów wielkości większy niż wiek Wszechświata, demonstruje możliwości detektorów opartych na ksenonie do wyszukiwania rzadkich zdarzeń i ukazuje szeroki zasięg fizyczny jeszcze większych eksperymentów nowej generacji. Pomiar ten stanowi pierwszy krok w poszukiwaniu podwójnego wychwytu elektronów bez neutrin procesu, którego wykrycie pozwoliłoby na wgląd w naturę neutrina i określenie jego masy bezwzględnej.

Od 2019 roku eksperyment XENON1T wstrzymał zbieranie danych, aby umożliwić budowę kolejnej fazy, XENONnT. Detektor XENON1T działał w latach 2016-2018, a jego działanie zakończyło się z końcem 2018 roku.

W czerwcu 2020 r. współpraca XENON1T odnotowała nadmiar odrzutów elektronów: 285 zdarzeń, o 53 więcej niż oczekiwano 232 ze statystyczną istotnością 3,5σ. Rozważano trzy wyjaśnienia: istnienie dotychczas hipotetycznych osi Słońca , zaskakująco duży moment magnetyczny dla neutrin oraz zanieczyszczenie detektora trytem. Wiele innych wyjaśnień zostało później podanych przez inne grupy, aw 2021 r. interpretacja wyników nie jako cząstek ciemnej materii, ale kandydatów na cząstki ciemnej energii zwanych kameleonami również został omówiony. W lipcu 2022 nowa analiza przeprowadzona przez XENONnT odrzuciła nadmiar.

XENONnT

XENONnT to ulepszenie podziemnego eksperymentu XENON1T w LNGS. Jego systemy będą zawierać ksenon o łącznej masie ponad 8 ton. Oprócz większego celu ksenonowego w komorze projekcji czasowej, zmodernizowany eksperyment będzie zawierał nowe komponenty do dalszej redukcji lub oznaczania promieniowania, które w przeciwnym razie stanowiłoby tło dla jego pomiarów. Został zaprojektowany tak, aby osiągnąć czułość (w niewielkiej części badanego zakresu mas), przy której neutrina stają się znaczącym tłem. Od 2019 roku aktualizacja była w toku, a pierwszego światła oczekiwano w 2020 roku.

Detektor XENONnT był w budowie w marcu 2020 r. Mimo problemów związanych z COVID-19, projekt był w stanie zakończyć budowę i przejść do fazy uruchomienia do połowy 2020 r. Pełne działanie detektora rozpoczęło się pod koniec 2020 r. We wrześniu 2021 r. XENONnT pobierał dane naukowe do swojego pierwszego cyklu naukowego, który był wówczas w toku.

Dalsza lektura

Linki zewnętrzne

Współrzędne :

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=XENON&oldid=1138541211 ”