El Detector de Partículas y Xenón Astrofísico , o PandaX , es un experimento de detección de materia oscura en el Laboratorio Subterráneo China Jinping (CJPL) en Sichuan , China. [1] El experimento ocupa el laboratorio subterráneo más profundo del mundo y es uno de los más grandes de su tipo.
El experimento está a cargo de un equipo internacional de unos 40 científicos, liderado por investigadores de la Universidad Jiao Tong de Shanghái , China . [2] El proyecto comenzó en 2009 con investigadores de la Universidad Jiao Tong de Shanghái, la Universidad de Shandong , el Instituto de Física Aplicada de Shanghái (zh) y la Academia China de Ciencias . [3] [4] Investigadores de la Universidad de Maryland , la Universidad de Pekín y la Universidad de Michigan se unieron dos años después. [3] El equipo PandaX también incluye miembros de la Ertan Hydropower Development Company . [5] Científicos de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China , el Instituto de Energía Atómica de China y la Universidad Sun Yat-Sen se unieron a PandaX en 2015. [6]
PandaX es un experimento de detección directa que consiste en un detector de cámara de proyección temporal (TPC) de xenón de doble fase. [1] El uso de fases líquidas y gaseosas de xenón, de manera similar a los experimentos XENON y LUX , permite determinar la ubicación de los eventos y vetar los eventos de rayos gamma . [4] Además de buscar eventos de materia oscura, PandaX está diseñado para detectar la desintegración beta doble sin neutrinos del Xe-136 . [4]
PandaX está ubicado en el Laboratorio Subterráneo China Jinping (CJPL), el laboratorio subterráneo más profundo del mundo a más de 2.400 metros (1,5 millas) bajo tierra. [2] [7] La profundidad del laboratorio significa que el experimento está mejor protegido de la interferencia de rayos cósmicos que detectores similares, lo que permite que el instrumento se amplíe más fácilmente. [8] El flujo de muones en el CJPL es de 66 eventos por metro cuadrado por año, en comparación con los 950 eventos/m2 / año en la Instalación de Investigación Subterránea de Sanford , sede del experimento LUX, y los 8.030 eventos/m2 / año en el laboratorio Gran Sasso en Italia, sede del detector XENON. [4] El mármol en Jinping también es menos radiactivo que la roca en Homestake y Gran Sasso, lo que reduce aún más la frecuencia de detecciones falsas. [4] [7] Wolfgang Lorenzon, investigador colaborador de la Universidad de Michigan, ha comentado que "la gran ventaja es que PandaX es mucho más barato y no necesita tanto material de protección" como detectores similares. [7]
Como ocurre en la mayoría de las física de bajo nivel de fondo, el experimento consiste en construir varias generaciones de detectores, cada una de las cuales sirve como prototipo para la siguiente. Un tamaño mayor permite una mayor sensibilidad, pero esto sólo es útil si se puede evitar que los "eventos de fondo" no deseados inunden los deseados; también se requieren límites cada vez más estrictos para la contaminación radiactiva. Las lecciones aprendidas en generaciones anteriores se utilizan para construir las posteriores.
La primera generación, PandaX-I , funcionó hasta finales de noviembre de 2014. [9] : 15 Utilizaba 120 kg (260 lb) de xenón (de los cuales 54 kg (119 lb) sirvieron como masa fiducial) [10] : 7, 10 para sondear el régimen de baja masa (<10 GeV ) y verificar las señales de materia oscura informadas por otros experimentos de detectores. [1] [8] PandaX-I fue el primer experimento de materia oscura en China en utilizar más de 100 kg de xenón en su detector, y su tamaño fue superado solo por el experimento LUX en los Estados Unidos. [2]
PandaX-II , completado en marzo de 2015 y actualmente operativo, utiliza 500 kilogramos (1100 lb) de xenón (aproximadamente 300 kg fiducual) [10] : 24-25 para sondear el régimen de 10-1000 GeV. [1] [8] [7] PandaX-II reutiliza el escudo, el recipiente exterior, la criogenia, el hardware de purificación y la infraestructura general de la primera versión, pero utiliza una cámara de proyección de tiempo mucho más grande, un recipiente interior de acero inoxidable de mayor pureza (mucho menos radiactivo 60 Co ) y un criostato . [4] [11]
El costo de construcción de PandaX se estima en US$ 15 millones, con un costo inicial de US$ 8 millones para la primera etapa. [8] [7]
PandaX-II produjo algunos resultados preliminares de física a partir de una breve ejecución de puesta en servicio a fines de 2015 (del 21 de noviembre al 14 de diciembre) [11] antes de la ejecución principal de física durante 2018. [12] : 213 [10] : 24
PandaX-II es significativamente más sensible que los detectores XENON100 de 100 kg y LUX de 250 kg . [10] : 25 [12] XENON100, en Italia , ha producido, en los tres a cuatro años anteriores a 2014, las sensibilidades más altas en un amplio rango de masas WIMP , [3] [8] pero fue superado por PandaX-II. [12] : 213 Los resultados más recientes sobre la sección transversal de dispersión de nucleones-WIMP independiente del espín de PandaX-II se publicaron en 2017. [15] En septiembre de 2018, el experimento XENON1T publicó sus resultados de 278,8 días de datos recopilados y estableció un nuevo límite récord para las interacciones elásticas de nucleones-WIMP independientes del espín. [16]
Las siguientes etapas de PandaX se denominan PandaX-xT . En el laboratorio de segunda fase CJPL-II se está construyendo una etapa intermedia con un objetivo de cuatro toneladas ( PandaX-4T ). El objetivo final es construir un detector de materia oscura de tercera generación, que contendrá treinta toneladas de xenón en la región sensible. [6] En julio de 2021 se publicó una búsqueda de materia oscura utilizando los resultados de la prueba de puesta en servicio de PandaX-4T. [17] [18]
La mayoría del equipo experimental PandaX fue transportado desde la Universidad Jiao Tong de Shanghái al Laboratorio Subterráneo Jinping de China en agosto de 2012, y se llevaron a cabo dos pruebas de ingeniería en 2013. [3] La ejecución inicial de recopilación de datos (PandaX-I) comenzó en mayo de 2014. Los resultados de esta ejecución se informaron en septiembre de 2014 en la revista Science China Physics, Mechanics & Astronomy . En la ejecución inicial, se registraron alrededor de 4 millones de eventos sin procesar, con alrededor de 10.000 en la región de energía esperada para la materia oscura WIMP . De estos, solo 46 eventos se registraron en el núcleo interno silencioso del objetivo de xenón. Estos eventos fueron consistentes con la radiación de fondo , en lugar de la materia oscura. La falta de una señal de materia oscura observada en la ejecución PandaX-I impone fuertes restricciones a las señales de materia oscura informadas previamente de experimentos similares. [2]
Stefan Funk, del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC, ha cuestionado la conveniencia de tener muchos experimentos separados de detección directa de materia oscura en diferentes países, comentando que "gastar todo nuestro dinero en diferentes experimentos de detección directa no vale la pena". [8] Xiangdong Ji, portavoz de PandaX y físico de la Universidad Jiao Tong de Shanghái, admite que es poco probable que la comunidad internacional apoye más de dos detectores de varias toneladas, pero sostiene que tener muchos grupos trabajando conducirá a una mejora más rápida en la tecnología de detección. [8] Richard Gaitskell, portavoz del experimento LUX y profesor de física en la Universidad de Brown , comentó: "Estoy emocionado de ver a China desarrollando un programa de física fundamental". [7]