DEAP ( Experimento de materia oscura con discriminación de forma de pulso de argón ) es un experimento de búsqueda directa de materia oscura que utiliza argón líquido como material objetivo. DEAP utiliza discriminación de fondo basada en la forma de pulso de centelleo característica del argón. Se utilizó un detector de primera generación ( DEAP-1 ) con una masa objetivo de 7 kg en la Queen's University para probar el rendimiento de la discriminación de forma de pulso a bajas energías de retroceso en argón líquido. Luego, DEAP-1 se trasladó a SNOLAB , a 2 km por debajo de la superficie de la Tierra, en octubre de 2007 y recopiló datos hasta 2011.
DEAP-3600 fue diseñado con 3600 kg de masa de argón líquido activo para lograr una sensibilidad a las secciones transversales de dispersión de nucleones WIMP tan bajas como 10 −46 cm 2 para una masa de partícula de materia oscura de 100 GeV/c 2 . El detector DEAP-3600 terminó su construcción y comenzó la recopilación de datos en 2016. Un incidente con el detector obligó a una breve pausa en la recopilación de datos en 2016. A partir de 2019, el experimento está recopilando datos.
Para lograr una sensibilidad aún mejor a la materia oscura, se formó la Colaboración Global Argon Dark Matter [1] con científicos de los experimentos DEAP, DarkSide , CLEAN y ArDM . Se planea operar un detector con una masa de argón líquido superior a 20 toneladas ( DarkSide-20k ) en Laboratori Nazionali del Gran Sasso . [2] Los esfuerzos de investigación y desarrollo están trabajando hacia un detector de próxima generación ( ARGO ) con una masa objetivo de argón líquido de varios cientos de toneladas diseñado para alcanzar el piso de neutrinos, planeado para operar en SNOLAB debido a su entorno de radiación de fondo extremadamente baja.
Dado que el argón líquido es un material centelleante, una partícula que interactúa con él produce luz en proporción a la energía depositada por la partícula incidente, este es un efecto lineal para energías bajas antes de que la extinción se convierta en un factor contribuyente principal. La interacción de una partícula con el argón causa ionización y retroceso a lo largo del camino de interacción. Los núcleos de argón que retroceden experimentan recombinación o autoatrapamiento, lo que finalmente da como resultado la emisión de fotones ultravioleta de vacío (VUV) de 128 nm. Además, el argón líquido tiene la propiedad única de ser transparente a su propia luz centelleante, lo que permite rendimientos de luz de decenas de miles de fotones producidos por cada MeV de energía depositada.
Se espera que la dispersión elástica de una partícula de materia oscura WIMP con un núcleo de argón haga que el núcleo retroceda. Se espera que sea una interacción de energía muy baja (keV) y requiere un umbral de detección bajo para ser sensible. Debido al umbral de detección necesariamente bajo, la cantidad de eventos de fondo detectados es muy alta. La débil firma de una partícula de materia oscura como una WIMP quedará enmascarada por los muchos tipos diferentes de eventos de fondo posibles. Una técnica para identificar estos eventos que no son de materia oscura es la discriminación de forma de pulso (PSD), que caracteriza un evento en función de la firma temporal de la luz de centelleo del argón líquido.
La PSD es posible en un detector de argón líquido porque las interacciones debidas a diferentes partículas incidentes, como electrones , fotones de alta energía , alfas y neutrones, crean diferentes proporciones de estados excitados de los núcleos de argón en retroceso, estos se conocen como estados singlete y triplete y se desintegran con tiempos de vida característicos de 6 ns y 1300 ns respectivamente. [3] Las interacciones de gammas y electrones producen principalmente estados excitados triplete a través de retrocesos electrónicos, mientras que las interacciones de neutrones y alfa producen principalmente estados excitados singlete a través de retrocesos nucleares. Se espera que las interacciones WIMP-nucleón también produzcan una señal de tipo retroceso nuclear debido a la dispersión elástica de la partícula de materia oscura con el núcleo de argón.
Al utilizar la distribución del tiempo de llegada de la luz para un evento, es posible identificar su fuente probable. Esto se hace cuantitativamente midiendo la relación de la luz medida por los fotodetectores en una ventana "rápida" (<60 ns) con la luz medida en una ventana "tardía" (<10.000 ns). En DEAP este parámetro se llama Fprompt. Los eventos de tipo retroceso nuclear tienen valores altos de Fprompt (~0,7), mientras que los eventos de retroceso electrónico tienen un valor bajo de Fprompt (~0,3). Debido a esta separación en Fprompt para eventos de tipo WIMP (retroceso nuclear) y de tipo fondo (retroceso electrónico), es posible identificar de forma única las fuentes de fondo más dominantes en el detector. [4]
El fondo más abundante en DEAP proviene de la desintegración beta del argón-39 , que tiene una actividad de aproximadamente 1 Bq/kg en el argón atmosférico. [5] Se requiere que la discriminación de los eventos de fondo beta y gamma de los retrocesos nucleares en la región energética de interés (cerca de 20 keV de energía electrónica) sea mejor que 1 en 10 8 para suprimir suficientemente estos fondos para una búsqueda de materia oscura en el argón atmosférico líquido.
La primera etapa del proyecto DEAP, DEAP-1, fue diseñada para caracterizar varias propiedades del argón líquido, demostrar la discriminación de la forma del pulso y refinar la ingeniería. Este detector era demasiado pequeño para realizar búsquedas de materia oscura. DEAP-1 utilizó 7 kg de argón líquido como objetivo para las interacciones WIMP. Se utilizaron dos tubos fotomultiplicadores (PMT) para detectar la luz de centelleo producida por una partícula que interactúa con el argón líquido. Como la luz de centelleo producida es de longitud de onda corta (128 nm), se utilizó una película que cambia la longitud de onda para absorber la luz de centelleo ultravioleta y reemitirla en el espectro visible (440 nm), lo que permite que la luz pase a través de ventanas comunes sin pérdidas y, finalmente, sea detectada por los PMT.
DEAP-1 demostró una buena discriminación de la forma del pulso de los fondos en la superficie y comenzó a funcionar en SNOLAB. La ubicación subterránea profunda redujo los eventos de fondo cosmogénicos no deseados . DEAP-1 funcionó de 2007 a 2011, incluidos dos cambios en la configuración experimental. DEAP-1 caracterizó los eventos de fondo, lo que determinó las mejoras de diseño necesarias en DEAP-3600. [6]
El detector DEAP-3600 fue diseñado para utilizar 3600 kg de argón líquido, con un volumen fiducial de 1000 kg, el volumen restante se utiliza como autoprotección y veto de fondo. Esto está contenido en un recipiente acrílico esférico de ~2 m de diámetro , el primero de su tipo jamás creado. [7] El recipiente acrílico está rodeado por 255 tubos fotomultiplicadores (PMT) de alta eficiencia cuántica para detectar la luz de centelleo de argón. El recipiente acrílico está alojado en una carcasa de acero inoxidable sumergida en un tanque de protección de 7,8 m de diámetro lleno de agua ultrapura. El exterior de la carcasa de acero tiene 48 PMT de veto adicionales para detectar la radiación Cherenkov producida por partículas cósmicas entrantes, principalmente muones .
Los materiales utilizados en el detector DEAP debían cumplir con estrictos estándares de pureza de radio para reducir la contaminación de eventos de fondo. Todos los materiales utilizados fueron analizados para determinar los niveles de radiación presentes, y los componentes internos del detector tenían requisitos estrictos para la emanación de radón , que emite radiación alfa a partir de sus descendientes de desintegración . El recipiente interior está recubierto con material de cambio de longitud de onda TPB que se evaporó al vacío sobre la superficie. [8] El TPB es un material de cambio de longitud de onda común utilizado en experimentos con argón líquido y xenón líquido debido a su rápida reemisión y alto rendimiento lumínico, con un espectro de emisión que alcanza un máximo de 425 nm, en la región de sensibilidad para la mayoría de los PMT.
La sensibilidad proyectada de DEAP en términos de sección transversal del núcleo WIMP independiente del espín es de 10 −46 cm 2 a 100 GeV/c 2 después de tres años de toma de datos en vivo. [6]
Las instituciones colaboradoras incluyen:
Esta colaboración se beneficia en gran medida de la experiencia que muchos de los miembros e instituciones adquirieron en el proyecto del Observatorio de Neutrinos de Sudbury (SNO), que estudió los neutrinos , otra partícula de interacción débil.
Una vez finalizada la construcción, el detector DEAP-3600 comenzó a tomar datos de puesta en servicio y calibración en febrero de 2015 con purga de gas nitrógeno en el detector. [9] El llenado del detector se completó y la toma de datos para buscar materia oscura comenzó el 5 de agosto de 2016. [10] Poco después del llenado inicial del detector con argón líquido, un sello de junta tórica de butilo falló el 17 de agosto de 2016 y contaminó el argón con 100 ppm de N 2 [7] Luego, el detector se venteó y se volvió a llenar, pero esta vez a un nivel de 3300 kg para evitar una recurrencia de la falla del sello: este segundo llenado se completó en noviembre de 2016. Los primeros resultados de búsqueda de materia oscura con una exposición de 4,44 días vivos desde el llenado inicial se publicaron en agosto de 2017, dando un límite de sección transversal de 1,2×10 −44 cm 2 para una masa WIMP de 100 GeV/c 2 . [10]
En febrero de 2019 se logró una mayor sensibilidad a la materia oscura, con un análisis de los datos recopilados durante 231 días en vivo desde el segundo llenado en 2016-2017, que arrojó un límite de sección transversal de 3,9×10 −45 cm 2 para una masa WIMP de 100 GeV/c 2 . [11] Este análisis actualizado demostró el mejor rendimiento jamás logrado en argón líquido en el umbral, para la técnica de discriminación de forma de pulso contra fondos beta y gamma. La colaboración también desarrolló nuevas técnicas para rechazar fondos de retroceso nuclear raros, utilizando la distribución observada de la luz en el espacio y el tiempo después de un evento de centelleo.
En enero de 2022, el experimento publicó sus resultados estableciendo restricciones para la materia oscura con masa de escala de Planck con masa entre 8,3×10 6 GeV/c 2 y 1,2×10 19 GeV/c 2 y sección transversal de 1×10 -23 cm 2 a 2,4×10 -18 cm 2 . Estos fueron los primeros resultados para la materia oscura en esta escala de masa superpesada. [12]
El experimento DEAP-3600 se encuentra actualmente (a partir de junio de 2024) en proceso de actualizaciones y el equipo lo operará durante un par de años más con una sensibilidad aún mejor a la materia oscura. [13]