El proyecto de investigación de materia oscura XENON , que se lleva a cabo en el Laboratorio Nacional Gran Sasso de Italia , es una instalación de detección subterránea profunda que ofrece experimentos cada vez más ambiciosos cuyo objetivo es detectar partículas hipotéticas de materia oscura . Los experimentos tienen como objetivo detectar partículas en forma de partículas masivas de interacción débil (WIMP, por sus siglas en inglés) mediante la búsqueda de interacciones de retroceso nuclear poco frecuentes en una cámara de objetivo de xenón líquido. El detector actual consta de una cámara de proyección temporal (TPC, por sus siglas en inglés) de doble fase .
El experimento detecta señales de centelleo e ionización producidas cuando partículas externas interactúan en el volumen de xenón líquido, para buscar un exceso de eventos de retroceso nuclear en comparación con los fondos conocidos. La detección de dicha señal proporcionaría la primera evidencia experimental directa de partículas candidatas a materia oscura. La colaboración está actualmente dirigida por la profesora italiana de física Elena Aprile de la Universidad de Columbia .
El experimento XENON opera con una cámara de proyección temporal (TPC) de doble fase, que utiliza un objetivo de xenón líquido con una fase gaseosa en la parte superior. Dos conjuntos de tubos fotomultiplicadores (PMT), uno en la parte superior del detector en la fase gaseosa (GXe) y otro en la parte inferior de la capa líquida (LXe), detectan la luz de centelleo y electroluminiscencia que se produce cuando las partículas cargadas interactúan en el detector. Se aplican campos eléctricos tanto en la fase líquida como en la gaseosa del detector. El campo eléctrico en la fase gaseosa tiene que ser lo suficientemente grande como para extraer electrones de la fase líquida.
Las interacciones de partículas en el objetivo líquido producen centelleo e ionización . La luz de centelleo inmediata produce fotones ultravioleta de 178 nm. Esta señal es detectada por los PMT y se conoce como señal S1. El campo eléctrico aplicado evita la recombinación de todos los electrones producidos a partir de una interacción de partículas cargadas en el TPC. Estos electrones son arrastrados a la parte superior de la fase líquida por el campo eléctrico. La ionización es luego extraída a la fase gaseosa por el campo eléctrico más fuerte en la fase gaseosa. El campo eléctrico acelera los electrones hasta el punto de crear una señal de centelleo proporcional que también es recogida por los PMT y se conoce como señal S2. Esta técnica ha demostrado ser lo suficientemente sensible para detectar señales S2 generadas a partir de electrones individuales. [1]
El detector permite una determinación completa de la posición en 3D [2] de la interacción de las partículas. Los electrones en xenón líquido tienen una velocidad de deriva uniforme. Esto permite determinar la profundidad de interacción del evento midiendo el retardo de tiempo entre la señal S1 y S2. La posición del evento en el plano xy se puede determinar observando la cantidad de fotones vistos por cada uno de los fotones fotoeléctricos individuales. La posición en 3D completa permite la fiducialización del detector, en la que se define una región de bajo fondo en el volumen interno del TPC. Este volumen fiducial tiene una tasa muy reducida de eventos de fondo en comparación con las regiones del detector en el borde del TPC, debido a las propiedades de autoprotección del xenón líquido. Esto permite una sensibilidad mucho mayor cuando se buscan eventos muy raros.
Se espera que las partículas cargadas que se mueven a través del detector interactúen con los electrones de los átomos de xenón, lo que produce retrocesos electrónicos, o con el núcleo, lo que produce retrocesos nucleares. Para una cantidad dada de energía depositada por una interacción de partículas en el detector, la relación de S2/S1 se puede utilizar como un parámetro de discriminación para distinguir los eventos de retroceso electrónico y nuclear. [3] Se espera que esta relación sea mayor para los retrocesos electrónicos que para los retrocesos nucleares. De esta manera, los fondos de los retrocesos electrónicos se pueden suprimir en más del 99%, mientras que al mismo tiempo se retiene el 50% de los eventos de retroceso nuclear.
El experimento XENON10 se instaló en el laboratorio subterráneo Gran Sasso en Italia durante marzo de 2006. La ubicación subterránea del laboratorio proporciona 3100 m de blindaje equivalente al agua. El detector se colocó dentro de un blindaje para reducir aún más la tasa de fondo en el TPC. XENON10 fue concebido como un detector prototipo, para probar la eficacia del diseño XENON, así como para verificar el umbral alcanzable, la potencia de rechazo de fondo y la sensibilidad. El detector XENON10 contenía 15 kg de xenón líquido. El volumen sensible del TPC mide 20 cm de diámetro y 15 cm de altura. [4]
Un análisis de 59 días de datos en vivo, tomados entre octubre de 2006 y febrero de 2007, no produjo firmas WIMP. El número de eventos observados en la región de búsqueda WIMP es estadísticamente consistente con el número esperado de eventos de los fondos de retroceso electrónico. Este resultado excluyó parte del espacio de parámetros disponible en los modelos supersimétricos mínimos , al colocar límites en las secciones eficaces WIMP-nucleón independientes del espín por debajo de10 × 10 −43 cm 2 para un30 GeV/ c 2 Masa WIMP. [5]
Debido a que casi la mitad del xenón natural tiene estados de espín impares ( 129 Xe tiene una abundancia del 26% y espín 1/2; 131 Xe tiene una abundancia del 21% y espín 3/2), los detectores XENON también se pueden utilizar para proporcionar límites en las secciones transversales WIMP-nucleón dependientes del espín para el acoplamiento de la partícula candidata de materia oscura tanto a neutrones como a protones. XENON10 establece las restricciones más estrictas del mundo en el acoplamiento de neutrones puros. [6]
El detector de segunda fase, XENON100, contiene 165 kg de xenón líquido, con 62 kg en la región objetivo y el xenón restante en un veto activo. El TPC del detector tiene un diámetro de 30 cm y una altura de 30 cm. Como se espera que las interacciones WIMP sean eventos extremadamente raros, se lanzó una campaña exhaustiva durante la fase de construcción y puesta en servicio de XENON100 para examinar todas las partes del detector en busca de radiactividad. La evaluación se realizó utilizando detectores de germanio de alta pureza . En algunos casos, se realizó espectrometría de masas en muestras de plástico de baja masa. Al hacerlo, se alcanzó el objetivo de diseño de <10 −2 eventos/kg/día/keV [7] , logrando el detector de materia oscura con la tasa de fondo más baja del mundo.
El detector se instaló en el Laboratorio Nacional del Gran Sasso en 2008 en el mismo escudo que el detector XENON10 y ha realizado varias ejecuciones científicas. En cada una de ellas, no se observó ninguna señal de materia oscura por encima del fondo esperado, lo que llevó al límite más estricto en la sección eficaz WIMP-nucleón independiente del espín en 2012, con un mínimo en2,0 × 10 −45 cm 2 para un65 GeV/ c 2 Masa WIMP. [8] Estos resultados restringen las interpretaciones de señales en otros experimentos como interacciones de materia oscura y descartan modelos exóticos como la materia oscura inelástica, que resolvería esta discrepancia. [9] XENON100 también ha proporcionado límites mejorados en la sección transversal WIMP-nucleón dependiente del espín. [10] Se publicó un resultado de axión en 2014, [11] estableciendo un nuevo mejor límite de axión.
XENON100 operó el experimento de fondo más bajo en ese momento para búsquedas de materia oscura, con un fondo de 50 mDRU (1 mDRU = 10 −3 eventos/kg/día/keV). [12]
La construcción de la siguiente fase, XENON1T, comenzó en el pabellón B del Laboratorio Nacional del Gran Sasso en 2014. El detector contiene 3,2 toneladas de xenón líquido ultrarradiopuro y tiene un volumen fiducial de aproximadamente 2 toneladas. El detector está alojado en un tanque de agua de 10 m que sirve como veto de muones. El TPC tiene 1 m de diámetro y 1 m de altura.
El equipo del proyecto del detector, llamado Colaboración XENON, está compuesto por 135 investigadores de 22 instituciones de Europa, Oriente Medio y Estados Unidos. [13]
Los primeros resultados de XENON1T fueron publicados por la colaboración XENON el 18 de mayo de 2017, basados en 34 días de recopilación de datos entre noviembre de 2016 y enero de 2017. Si bien no se detectaron oficialmente señales de WIMP ni de candidatos a materia oscura, el equipo anunció una reducción mínima récord en los niveles de radiactividad de fondo detectados por XENON1T. Los límites de exclusión superaron los mejores límites anteriores establecidos por el experimento LUX , con una exclusión de secciones transversales mayores que7,7 × 10 −47 cm 2 para masas WIMP de35 GeV/ c 2 . [14] [15] Debido a que algunas señales que recibe el detector podrían deberse a neutrones, la reducción de la radiactividad aumenta la sensibilidad a los WIMP . [16]
En septiembre de 2018, el experimento XENON1T publicó sus resultados de 278,8 días de datos recopilados. Se estableció un nuevo límite récord para las interacciones elásticas independientes del espín entre WIMP y nucleones, con un mínimo de4,1 × 10 −47 cm 2 con una masa WIMP de30 GeV/ c2 . [ 17]
En abril de 2019, basándose en mediciones realizadas con el detector XENON1T, la Colaboración XENON informó en Nature la primera observación directa de la captura de doble electrón por dos neutrinos en núcleos de xenón-124. [18] La vida media medida de este proceso, que es varios órdenes de magnitud mayor que la edad del Universo, demuestra las capacidades de los detectores basados en xenón para buscar eventos raros y muestra el amplio alcance físico de experimentos de próxima generación aún más grandes. Esta medición representa un primer paso en la búsqueda del proceso de captura de doble electrón sin neutrinos , cuya detección proporcionaría información sobre la naturaleza del neutrino y permitiría determinar su masa absoluta.
A partir de 2019, el experimento XENON1T detuvo la recolección de datos para permitir la construcción de la siguiente fase, XENONnT. [19] El detector XENON1T funcionó entre 2016 y 2018, y sus operaciones finalizaron a fines de 2018. [20]
En junio de 2020, la colaboración XENON1T informó de un exceso de retrocesos de electrones: 285 eventos, 53 más de los 232 esperados [21] [22] con una significancia estadística de 3,5σ. [23] Se consideraron tres explicaciones: la existencia de axiones solares hipotéticos hasta la fecha , un momento magnético sorprendentemente grande para los neutrinos y la contaminación por tritio en el detector. Otros grupos dieron posteriormente otras explicaciones múltiples [24] y en 2021 también se ha discutido una interpretación de los resultados no como partículas de materia oscura sino como candidatos a partículas de energía oscura llamadas camaleones . [25] [26] En julio de 2022, un nuevo análisis de XENONnT descartó el exceso. [27] [28]
XENONnT es una versión mejorada del experimento XENON1T, que se encuentra bajo tierra en el LNGS. Sus sistemas contendrán una masa total de xenón de más de 8 toneladas. Además de un objetivo de xenón más grande en su cámara de proyección temporal, el experimento mejorado contará con nuevos componentes para reducir o etiquetar aún más la radiación que, de otro modo, constituiría un fondo para sus mediciones. Está diseñado para alcanzar una sensibilidad (en una pequeña parte del rango de masas investigado) en la que los neutrinos se conviertan en un fondo significativo. En 2019, la actualización estaba en curso y se esperaba su primera luz en 2020. [19] [29]
El detector XENONnT estaba en construcción en marzo de 2020. Incluso con los problemas planteados por la COVID-19, el proyecto pudo finalizar la construcción y avanzar hacia la fase de puesta en servicio a mediados de 2020. Las operaciones completas del detector comenzaron a fines de 2020. [20] [30] En septiembre de 2021, XENONnT estaba recopilando datos científicos para su primera ejecución científica, que estaba en curso en ese momento. [31]
El 28 de julio de 2023, el XENONnT publicó los primeros resultados de su búsqueda de WIMP, [32] excluyendo las secciones transversales superiores a 28 GeV con un nivel de confianza del 90%, [33] conjuntamente en la misma fecha el experimento LZ publicó también sus primeros resultados excluyendo las secciones transversales superiores a 36 GeV con un nivel de confianza del 90%. [34]
42°25′14″N 13°30′59″E / 42.42056°N 13.51639°E / 42.42056; 13.51639
