EDELWEISS ( Experiencia para detectar WIMP en sitios subterráneos ) es un experimento de búsqueda de materia oscura ubicado en el Laboratorio subterráneo de Modane en Francia . El experimento utiliza detectores criogénicos , que miden tanto las señales de fonones como las de ionización producidas por interacciones de partículas en cristales de germanio . Esta técnica permite distinguir los eventos de retroceso nuclear de los eventos de retroceso electrónico.
El proyecto EURECA es una propuesta de experimento futuro sobre materia oscura, en el que participarán investigadores de EDELWEISS y del proyecto de búsqueda de materia oscura CRESST .
La materia oscura es un material que no emite ni absorbe luz. Las mediciones de las curvas de rotación de las galaxias espirales sugieren que constituye la mayor parte de la masa de las galaxias; y las mediciones precisas de la radiación de fondo de microondas cósmica sugieren que representa una fracción significativa de la densidad del Universo.
Una posible explicación de la materia oscura proviene de la física de partículas . WIMP ( Weakly Interacting Massive Particle ) es un término general para partículas hipotéticas que interactúan solo a través de la fuerza nuclear débil y la fuerza gravitacional . Esta teoría sugiere que nuestra galaxia está rodeada por un halo oscuro de tales partículas. EDELWEISS es uno de varios experimentos de búsqueda de materia oscura que apuntan a detectar directamente la materia oscura WIMP, detectando la dispersión elástica de un WIMP de un átomo dentro de un detector de partículas. Como la tasa de interacción es tan baja, esto requiere detectores sensibles, buena discriminación de fondo y un sitio subterráneo profundo (para reducir el fondo de los rayos cósmicos ).
EDELWEISS está ubicado en el laboratorio subterráneo de Modane, en el túnel de la carretera de Fréjus entre Francia e Italia, bajo 1800 m de roca. Un escudo de plomo de 20 cm reduce el fondo gamma y un escudo de polietileno reduce el flujo de neutrones . Todos los materiales cercanos a los detectores son examinados para determinar su radiopureza. Se utiliza un refrigerador de dilución para enfriar los detectores, construido en la orientación opuesta a la de la mayoría de los instrumentos, con los detectores en la parte superior y el mecanismo de refrigeración debajo.
EDELWEISS utiliza bolómetros criogénicos de germanio de alta pureza enfriados a 20 miliKelvin por encima del cero absoluto. Se miden las señales de fonón e ionización producidas por una interacción de partículas. Esto permite rechazar los eventos de fondo, ya que los eventos de retroceso nuclear (producidos por WIMP o interacciones de neutrones) producen mucha menos ionización que los eventos de retroceso de electrones (producidos por radiación alfa, beta y gamma). Los detectores son similares a los utilizados por el experimento CDMS . La detección simultánea de ionización y calor con semiconductores a baja temperatura fue una idea original de Lawrence M. Krauss , Mark Srednicki y Frank Wilczek . [1]
Una de las principales limitaciones de los primeros detectores era el problema de los eventos de superficie. Debido a la recolección de carga incompleta, una interacción de partículas cerca de la superficie del cristal no daba señal de ionización, por lo que los retrocesos de electrones cerca de la superficie podían confundirse con retrocesos nucleares. Para evitar esto, la colaboración desarrolló nuevos detectores con electrodos interdigitados. Se aplican diferentes voltajes a una serie de electrodos para que la dirección del campo eléctrico sea diferente cerca de la superficie del cristal, lo que permite rechazar más del 99,5% de los eventos de superficie. [2]
Los resultados de la primera fase del experimento ( EDELWEISS I ) se publicaron en 2005, excluyendo la materia oscura WIMP con una sección transversal de interacción superior≈10 −6 pb (a ≈85 GeV). [3] : Figura 15
EDELWEISS-II funcionó entre 2009 y 2010 con 10 detectores, es decir, 4 kg de masa de detector (para una exposición efectiva total de 384 kg· d ) [4], lo que limita los WIMP de masa alta [4] : Fig. 5 y de masa baja, [5] y axiones. [6] Una sección transversal deSe excluye 4,4 × 10 −8 pb al 90 % CL para una masa WIMP de 85 GeV. (Justo por encima de los resultados CDMS proyectados en la figura A).
EDELWEISS-III tenía 40 detectores. [6] EDELWEISS-III realizó su primera ejecución científica en 2014-2015 y sus resultados se publicaron en 2016.
El trabajo de diseño de EURECA continuará después de la prueba EDELWEISS-III. Está previsto que EURECA comience a funcionar después de 2017.
EDELWEISS es una colaboración de las siguientes instituciones miembros: