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ANAÍS-112

ANAIS ( Annual modulation with NaI Scintillators ) es un experimento de detección directa de materia oscura ubicado en el Laboratorio Subterráneo de Canfranc (LSC), en España, operado por un equipo de investigadores del CAPA en la Universidad de Zaragoza.

El objetivo de ANAIS es confirmar o refutar de forma independiente del modelo el resultado positivo del experimento DAMA/LIBRA [1] [2] [3] : una modulación anual en la tasa de detección de baja energía que tiene todas las características esperadas para la señal inducida por partículas de materia oscura que interactúan débilmente ( WIMP ) en un halo galáctico estándar . Esta modulación se produce como resultado de la rotación de la Tierra alrededor del Sol. DAMA/LIBRA ha observado una modulación con todas las características de una señal de materia oscura (DM) durante unos 20 años, pero está en fuerte tensión con los resultados negativos de otros experimentos de detección directa de DM. [4] [5] [6] [7 ] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] La compatibilidad entre los diferentes resultados experimentales en la mayoría de los escenarios WIMP-DM convencionales es en realidad desfavorecida, [20] [21] pero depende fuertemente de los modelos de partículas DM y halo considerados. Una comparación utilizando el mismo material objetivo, NaI (Tl), es más directa y casi independiente del modelo.

Configuración y ejecución del experimento

Fuente: [22]

El montaje experimental ANAIS-112 consta de 112,5 kg de NaI (Tl), distribuidos en 9 módulos cilíndricos de 12,5 kg cada uno y construidos por Alpha Spectra Inc., dispuestos en una configuración 3 × 3.

Entre las características más relevantes de los módulos ANAIS-112, cabe destacar su notable calidad óptica, que combinada con el uso de fotomultiplicadores Hamamatsu (PMTs) de alta eficiencia cuántica da como resultado una recolección de luz muy alta, del nivel de 15 fotoelectrones ( phe) por keV en los nueve módulos. [23] Las señales de los dos PMTs acoplados a cada módulo se digitalizan a 2 GS/s en una ventana de 1,2 μs con alta resolución (14 bits ). El trigger requiere la coincidencia de las dos señales de trigger de los PMT en una ventana de 200 ns, mientras que el trigger individual de los PMT se establece a nivel de un solo phe.

Otra característica interesante es una ventana de Mylar en el centro de una de las caras laterales de los detectores, que permite calibrar simultáneamente los nueve módulos con fuentes externas de rayos X / gamma hasta 10 keV en un entorno libre de radón . Se lleva a cabo una cuidadosa calibración de baja energía de la región de interés (ROI), de 1 a 6 keV, combinando información de calibraciones externas y de fondo. Las calibraciones externas con una fuente de 109 Cd se realizan cada dos semanas, y cada 1,5 meses se seleccionan deposiciones de energía a 3,2 y 0,87 keV de contaminaciones internas de 40 K y 22 Na en un módulo ANAIS aprovechando la coincidencia con una gamma de alta energía en un segundo módulo.

El experimento ANAIS-112 está instalado dentro de un blindaje que consiste en una capa interna de 10 cm de plomo arqueológico y una capa externa de 20 cm de plomo de baja actividad. Este blindaje de plomo está encerrado en una caja antirradón, herméticamente cerrada y mantenida bajo sobrepresión con gas nitrógeno libre de radón . La capa externa del blindaje (el blindaje neutrónico ) consiste en 40 cm de una combinación de tanques de agua y ladrillos de polietileno . Un veto activo compuesto por 16 centelleadores de plástico se coloca entre la caja antirradón y el blindaje neutrónico , cubriendo la parte superior y los lados del montaje, lo que permite marcar de manera efectiva el flujo de muones residuales in situ durante la toma de datos del ANAIS-112. ANAIS-112 se puso en servicio durante la primavera de 2017 y comenzó la fase de toma de datos en la sala B del LSC el 3 de agosto de 2017 bajo una sobrecarga de roca de 2450 mwe. El "tiempo de vida" del experimento, útil para el análisis, es superior al 95%, lo que permite alcanzar un alto ciclo de trabajo. El tiempo de inactividad se debe principalmente a la calibración periódica de los módulos.

Configuración de ANAIS-112 en LSC.

Se ha logrado una comprensión del fondo, excepto en la región de energía [1-2] keV, donde el modelo de fondo subestima la tasa de eventos medida. [24] La contaminación de la masa de cristales es la fuente de fondo dominante, siendo las contribuciones de 210 Pb, 40 K, 22 Na, 3 H las más relevantes en la región de interés. Considerando en conjunto los nueve módulos ANAIS-112, el fondo promedio en el ROI es 3,6 cpd/kg/keV después de tres años de toma de datos, [25] mientras que el fondo de DAMA/LIBRAphase2 está por debajo de 0,80 cpd/kg/keV en el intervalo de energía [1–2] keV, por debajo de 0,24 cpd/kg/keV en el intervalo de energía [2–3] keV y por debajo de 0,12 cpd/kg/keV en el intervalo de energía [3–4] keV. [3]

Análisis y resultados de la modulación anual

El desarrollo de protocolos de filtrado basados ​​en la forma del pulso y la compartición de luz entre los dos fotodiodos fotoelectrónicos ha sido crucial para cumplir con el objetivo de ANAIS-112, ya que la tasa de activación en la región de interés está dominada por eventos de centelleo no masivos . La determinación de la eficiencia correspondiente es muy importante y se calcula utilizando eventos de 109 Cd, 40 K y 22 Na. Es muy cercana al 100 % hasta 2 keV, y luego disminuye abruptamente hasta aproximadamente el 15 % a 1 keV, donde se establece el umbral de análisis. [22]

Se ha aplicado un protocolo ciego para el análisis de modulación anual de los datos de ANAIS-112: los eventos de impacto único en el ROI se mantienen ciegos durante la selección de eventos. Hasta ahora, se han llevado a cabo tres desenmascaramientos de los datos: a los 1,5 años, [26] a los 2 años, [27] y a los 3 años, [25] que corresponden a exposiciones de 157,55, 220,69 y 313,95 kg×y, respectivamente. La búsqueda de modulación anual de ANAIS-112 se realiza en las mismas regiones exploradas por la colaboración DAMA/LIBRA, [1–6] keV y [2–6] keV, fijando el período en 1 año y el máximo de la modulación en el 2 de junio.

Para evaluar la significancia estadística de una posible modulación en los datos de ANAIS-112, la tasa de eventos de los nueve detectores se calcula en intervalos de 10 días, y se minimiza χ 2 = Σ i (n i − μ i ) 2 /σ 2 i , donde n i es el número de eventos en el intervalo de tiempo t i (corregido por el tiempo en vivo y la eficiencia del detector), σ i es la incertidumbre de Poisson correspondiente , corregida en consecuencia, y μ i es el número esperado de eventos en ese intervalo de tiempo, que depende del modelo de fondo y se puede escribir como: μ i = [R 0 φ bkg (t i ) + S m cos(ω(t i − t 0 ))]M∆E∆t.

Aquí, R 0 representa la tasa no modulada en el experimento, es la función de distribución de probabilidad (PDF) en el tiempo de cualquier componente no modulado, S m es la amplitud de modulación, ω está fijado a 2π/365 d = 0,01721 rad d −1 , t 0 a −62,2 d (el origen del tiempo se ha tomado el 3 de agosto y luego el máximo del coseno es el 2 de junio), M es la masa total del detector, ∆E es el ancho del intervalo de energía y ∆t el ancho del intervalo de tiempo. R 0 es un parámetro libre, mientras que S m está fijado a 0 (para la hipótesis nula) o se deja sin restricciones, positivo o negativo (para la hipótesis de modulación).

La hipótesis nula está bien sustentada para los datos de 3 años en ambas regiones de energía, siendo compatibles los resultados para los dos modelos de fondo (un exponencial único o una PDF basada en el modelo de fondo de Monte Carlo ). La desviación estándar σ(S m ) es ligeramente menor cuando los detectores se consideran independientemente, como se esperaba después del análisis de sensibilidad a priori. [28] Por lo tanto, se elige este ajuste para citar el resultado final de modulación anual de ANAIS-112 y la sensibilidad para la exposición de tres años. Los mejores ajustes son incompatibles con el resultado de DAMA/LIBRA a 3,3 y 2,6 σ en las regiones de energía [1-6] y [2-6] keV, para una sensibilidad de 2,5 (2,7)σ a [1–6] keV ([2–6] keV). Los resultados de ANAIS-112 para 1,5, [26] 2 [27] y 3 años [25] de toma de datos confirman completamente la proyección de sensibilidad.

Los resultados de ANAIS-112 respaldan las perspectivas de alcanzar una sensibilidad superior a 3σ en 2022, dentro de los 5 años programados de toma de datos.

Se han llevado a cabo varias comprobaciones de consistencia (modificando el número de detectores que entran en el ajuste, considerando solo los dos primeros años o los dos últimos, o modificando el tamaño del intervalo de tiempo), y se ha llegado a la conclusión de que no hay indicios de que existan incertidumbres sistemáticas relevantes en el resultado. El rendimiento de un gran conjunto de pseudoexperimentos de Monte Carlo extraídos del modelo de fondo garantiza que el ajuste no esté sesgado. También se ha realizado un análisis de frecuencias y se ha llegado a la conclusión de que no hay modulación estadísticamente significativa en el rango de frecuencias buscado en los datos de ANAIS-112. [25]

Perspectivas futuras

La limitación de sensibilidad de ANAIS-112 se debe principalmente al alto ruido de fondo en el ROI, pero en particular en la región de 1 a 2 keV. En este contexto, la aplicación de técnicas de aprendizaje automático basadas en árboles de decisión potenciados (BDT), en desarrollo en la actualidad, podría mejorar el rechazo de estos eventos de centelleo no masivos. Los resultados preliminares apuntan a una mejora relevante de la sensibilidad. [31] Extender la toma de datos durante algunos años más, podría permitir probar DAMA/LIBRA en el nivel 5σ. La operación en el Laboratorio Subterráneo de Canfranc ha sido concedida hasta finales de 2025.

Una posible sistemática que afecta la comparación entre los resultados de DAMA/LIBRA y ANAIS es una posible respuesta diferente del detector a los retrocesos nucleares, porque ambos experimentos están calibrados utilizando rayos X/gammas. Es bien sabido que la centelleo se extingue fuertemente para la energía depositada por los retrocesos nucleares con respecto a la misma energía depositada por los electrones. Las mediciones de los factores de extinción (QF) en centelleadores de NaI se ven afectadas por fuertes discrepancias. Los QF de los detectores ANAIS-112 se están determinando después de las mediciones en TUNL. [32] Además, se está desarrollando un programa de calibración completo para el experimento utilizando fuentes de neutrones en el sitio.

Los resultados publicados de ANAIS-112 están disponibles en acceso abierto en la página web del Dark Matter Data Center: https://www.origins-cluster.de/odsl/dark-matter-data-center/available-datasets/anais

Los datos están disponibles a pedido.

Agencias de financiación

La operación del experimento ANAIS cuenta actualmente con el apoyo financiero de MICIU/AEI/10.13039/501100011033 (Subvenciones No. PID2022-138357NB-C21 y PID2019-104374GB-I00), y la Unión Europea NextGenerationEU/PRTR (AstroHEP) y el Gobierno de Aragón. La financiación de la Subvención FPA2017-83133-P, Programa Consolider-Ingenio 2010 bajo las subvenciones MULTIDARK CSD2009-00064 y CPAN CSD2007-00042, el Gobierno de Aragón y el Consorcio LSC hicieron posible la instalación de los detectores. Se agradece calurosamente el apoyo técnico del personal de LSC y GIFNA, así como de los Servicios de Apoyo a la Investigación de la Universidad de Zaragoza (EFS).

Enlaces externos

Referencias

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