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Zeplín III

Experimento ZEPLIN-III: el detector WIMP, construido principalmente de cobre, incluía dos cámaras dentro de un recipiente criostático: la superior contenía 12 kg de xenón líquido activo; una matriz de 31 fotomultiplicadores operaba inmersa en el líquido para detectar centelleo rápido, así como electroluminiscencia retardada de una fina capa de gas sobre el líquido. La cámara inferior contenía nitrógeno líquido para proporcionar refrigeración. El detector estaba rodeado de polipropileno cargado con Gd para moderar y capturar neutrones, una fuente potencial de fondo. Los rayos gamma de la captura de neutrones eran detectados por 52 módulos de centelleador de plástico colocados alrededor del moderador. El blindaje se completaba con un castillo de plomo de 20 cm de espesor.

El experimento de materia oscura ZEPLIN-III intentó detectar WIMP galácticos utilizando un blanco de xenón líquido de 12 kg. Funcionó entre 2006 y 2011 en el Laboratorio Subterráneo Boulby en Loftus, North Yorkshire . Este fue el último de una serie de experimentos basados ​​en xenón en el programa ZEPLIN llevado a cabo originalmente por la Colaboración de Materia Oscura del Reino Unido (UKDMC). El proyecto ZEPLIN-III fue dirigido por el Imperial College de Londres e incluyó también al Laboratorio Rutherford Appleton y la Universidad de Edimburgo en el Reino Unido, así como al LIP-Coimbra en Portugal y al ITEP-Moscú en Rusia. Se descartaron secciones transversales para la dispersión elástica de WIMP de nucleones superiores a 3,9 × 10 −8 pb (3,9 × 10 −44 cm 2 ) a partir de las dos ejecuciones científicas realizadas en Boulby (83 días en 2008 y 319 días en 2010/11).

Los experimentos de búsqueda directa de materia oscura buscan colisiones extremadamente raras y muy débiles que se espera que ocurran entre las partículas de materia oscura fría que se cree que permean nuestra galaxia y los núcleos de los átomos en el medio activo de un detector de radiación. Estas partículas elementales hipotéticas podrían ser partículas masivas de interacción débil o WIMP, con un peso de tan solo unos pocos protones o tanto como varios núcleos pesados. Su naturaleza aún no se conoce, pero no quedan candidatos sensatos dentro del Modelo Estándar de física de partículas para explicar el problema de la materia oscura.

Tecnología de detección

Los gases nobles condensados, en particular el xenón líquido y el argón líquido, son excelentes medios de detección de radiación. Pueden producir dos firmas para cada interacción de partículas: un destello rápido de luz ( centelleo ) y la liberación local de carga ( ionización ). En el xenón bifásico (llamado así porque involucra fases líquida y gaseosa en equilibrio), la luz de centelleo producida por una interacción en el líquido se detecta directamente con tubos fotomultiplicadores ; los electrones de ionización liberados en el sitio de interacción son arrastrados hasta la superficie del líquido bajo un campo eléctrico externo y posteriormente emitidos en una capa delgada de vapor de xenón. Una vez en el gas, generan un segundo pulso de luz más grande ( electroluminiscencia o centelleo proporcional), que es detectado por el mismo conjunto de fotomultiplicadores. Estos sistemas también se conocen como "detectores de emisión" de xenón. [1]

Esta configuración es la de una cámara de proyección temporal (TPC); permite la reconstrucción tridimensional del sitio de interacción, ya que la coordenada de profundidad (z) se puede medir con mucha precisión a partir de la separación temporal entre los dos pulsos de luz. Las coordenadas horizontales se pueden reconstruir a partir del patrón de impacto en la(s) matriz(s) de fotomultiplicadores. De manera crítica para las búsquedas WIMP, la relación entre los dos canales de respuesta (centelleo e ionización) permite el rechazo de los fondos predominantes para las búsquedas WIMP: radiación gamma y beta de la radiactividad traza en los materiales del detector y los alrededores inmediatos. Los eventos candidatos WIMP producen relaciones ionización/centelleo más bajas que las interacciones de fondo más prevalentes.

El programa ZEPLIN fue pionero en el uso de la tecnología de dos fases para las búsquedas WIMP. Sin embargo, la técnica en sí se desarrolló por primera vez para la detección de radiación utilizando argón a principios de la década de 1970. [1] Lebedenko, uno de sus pioneros en el Instituto de Ingeniería Física de Moscú , participó en la construcción de ZEPLIN-III en el Reino Unido a partir de 2001. Desarrollado junto con él, pero en una escala de tiempo más rápida, ZEPLIN-II fue el primer detector WIMP de este tipo en operar en el mundo (2005). [2] Esta tecnología también fue adoptada con mucho éxito por el programa XENON . El argón de dos fases también se ha utilizado para búsquedas de materia oscura por la colaboración WARP y ArDM . LUX está desarrollando sistemas similares que han establecido límites mejorados.

Señal del detector de xenón bifásico ZEPLIN-III. El pulso de centelleo rápido (S1) se genera inmediatamente por centelleo en el líquido; se obtiene un pulso más grande y retardado (S2) una vez que la ionización se deriva del sitio de interacción y se emite a la fase gaseosa delgada sobre el líquido. Los recuadros debajo de los trazos de señal muestran una simulación de Monte Carlo de las señales ópticas.

Historia

La serie de experimentos ZEPLIN ( ZonEd Proportional scintillation in LIquid Noble gases ) fue un programa progresivo llevado a cabo por la Colaboración de Materia Oscura del Reino Unido utilizando xenón líquido. Evolucionó junto con el programa DRIFT que promovía el uso de TPC llenos de gas para recuperar información direccional sobre la dispersión WIMP. A fines de la década de 1980, el UKDMC había explorado el potencial de diferentes materiales y técnicas, incluidos LiF criogénico, CaF 2 , silicio y germanio, de los cuales surgió un programa en Boulby basado en centelleadores de NaI(Tl) a temperatura ambiente . [3] El movimiento posterior a un nuevo material objetivo, xenón líquido, fue motivado por la comprensión de que los objetivos líquidos nobles son inherentemente más escalables y podrían lograr umbrales de energía más bajos y una mejor discriminación de fondo. [4] En particular, las capas externas del objetivo en masa, afectadas más por fondos externos, se pueden sacrificar durante el análisis de datos si se conoce la posición de las interacciones; Esto deja un volumen fiducial interno con tasas de fondo potencialmente muy bajas. Este efecto de autoprotección (al que alude el término "zonificado" en el acrónimo inventado de ZEPLIN) explica la ganancia más rápida en sensibilidad de estos objetivos en comparación con las tecnologías basadas en un enfoque modular adoptado con detectores de cristal, donde cada módulo aporta su propio fondo.

ZEPLIN-I , un blanco de xenón líquido de 3 kg, operó en Boulby desde fines de la década de 1990. [5] Utilizaba discriminación de forma de pulso para el rechazo del fondo, explotando una diferencia pequeña pero útil entre las propiedades de sincronización de la luz de centelleo causada por WIMP y las interacciones de fondo. A esto le siguieron los sistemas de dos fases ZEPLIN-II y ZEPLIN-III, que se diseñaron y construyeron en paralelo en RAL / UCLA y el Imperial College , respectivamente.

ZEPLIN-II fue el primer sistema de dos fases empleado para buscar materia oscura en el mundo; [2] consistía en un objetivo de xenón líquido de 30 kg cubierto por una capa de gas de 3 mm en una configuración denominada de tres electrodos: se aplicaban campos eléctricos separados a la masa del líquido (objetivo WIMP) y a la región de gas por encima de él utilizando un electrodo adicional debajo de la superficie del líquido (además de una rejilla de ánodo, ubicada sobre el gas, y un cátodo, en la parte inferior de la cámara). En ZEPLIN-II, una serie de 7 fotomultiplicadores observaban la cámara desde arriba en la fase gaseosa.

El ZEPLIN-III fue propuesto a finales de los años 1990 [6], basado en parte en un concepto similar desarrollado en el ITEP [7] , y construido por el profesor Tim Sumner y su equipo en el Imperial College. Fue desplegado bajo tierra en Boulby a finales de 2006, donde funcionó hasta 2011. Era una cámara de dos electrodos, donde la emisión de electrones al gas se lograba mediante un campo fuerte (4 kV/cm) en el líquido en lugar de mediante un electrodo adicional. El conjunto de fotomultiplicadores contenía 31 detectores de fotones que observaban el objetivo WIMP desde abajo, sumergidos en el xenón líquido frío. [8]

ZEPLIN-II y ZEPLIN-III fueron diseñados deliberadamente de maneras diferentes, para que las tecnologías empleadas en cada subsistema pudieran evaluarse y seleccionarse para el experimento final propuesto por el UKDMC: un objetivo de xenón a escala de toneladas ( ZEPLIN-MAX ) capaz de sondear la mayor parte del espacio de parámetros favorecido por la teoría en ese momento (1 × 10 −10 pb), aunque este último sistema nunca se construyó en el Reino Unido por falta de financiación.

Resultados

Aunque el blanco de xenón líquido ZEPLIN-III se construyó a la misma escala que el de sus predecesores ZEPLIN, logró mejoras significativas en la sensibilidad WIMP debido al mayor factor de discriminación alcanzado y a un fondo general más bajo. En 2011 publicó límites de exclusión en la sección transversal de dispersión elástica WIMP-nucleón independiente del espín por encima de 3,9 × 10 −8 pb para una masa WIMP de 50 GeV. [9] Aunque no es tan estricto como los resultados de XENON100 , [10] esto se logró con una masa fiducial 10 veces menor y demostró la mejor discriminación de fondo jamás lograda en estos detectores. La sección transversal dependiente del espín WIMP-neutrón se excluyó por encima de 8,0 × 10 −3 pb. [11] [12] También descartó un modelo de dispersión WIMP inelástica que intentaba conciliar una afirmación positiva de DAMA con la ausencia de señal en otros experimentos. [13]

Referencias

  1. ^ ab BA Dolgoshein, VN Lebedenko y BI Rodionov, "Nuevo método de registro de trazas de partículas ionizantes en materia condensada", JETP Lett. 11(11): 351 (1970)
  2. ^ ab Alner, GJ; Araújo, HM; Bewick, A.; Bungau, C.; Camanzi, B.; et al. (2007). "Primeros límites en las señales de retroceso nuclear de WIMP en ZEPLIN-II: Un detector de xenón de dos fases para la detección de materia oscura". Astroparticle Physics . 28 (3): 287–302. arXiv : astro-ph/0701858 . Bibcode :2007APh....28..287A. doi :10.1016/j.astropartphys.2007.06.002. ISSN  0927-6505. S2CID  1044263.
  3. ^ Consulte la lista de referencias completa de UKDMC en http://hepwww.rl.ac.uk/ukdmc/pub/fulpub.html
  4. ^ Davies, GJ; Davies, JD; Lewin, JD; Smith, PF; Jones, WG (1994). "Xenón líquido como detector de materia oscura. Perspectivas para la discriminación del retroceso nuclear mediante la sincronización de fotones". Physics Letters B . 320 (3–4). Elsevier BV: 395–399. Bibcode :1994PhLB..320..395D. doi :10.1016/0370-2693(94)90676-9. ISSN  0370-2693.
  5. ^ Alner, GJ; Araujo, H.; Arnison, GJ; Barton, JC; Bewick, A.; et al. (2005). "Primeros límites en eventos de retroceso nuclear del detector de materia oscura galáctica ZEPLIN I". Astroparticle Physics . 23 (5). Elsevier BV: 444–462. Bibcode :2005APh....23..444U. doi :10.1016/j.astropartphys.2005.02.004. ISSN  0927-6505.
  6. ^ TJ Sumner et al. , "ZEPLIN-III: un detector de materia oscura de xenón de dos fases", en: Proc. 3rd Int. Workshop. Id. Dark Matter , Spooner & Kudryavtsev (Eds): World Scientific, págs. 452–456 (2001)
  7. ^ D. Yu. Akimov et al. , "Detector de xenón de dos fases de centelleo con rechazo de rayos gamma y electrones de fondo para la búsqueda de materia oscura", en: Fuentes y detección de materia oscura en el universo : Holanda Septentrional, págs. 461-464 (1998)
  8. ^ AKIMOV, D; ALNER, G; ARAUJO, H; BEWICK, A; BUNGAU, C; et al. (2007). "El detector de materia oscura ZEPLIN-III: diseño, fabricación y puesta en servicio del instrumento". Astroparticle Physics . 27 (1): 46–60. arXiv : astro-ph/0605500 . Bibcode :2007APh....27...46A. doi :10.1016/j.astropartphys.2006.09.005. hdl : 10316/4383 . ISSN  0927-6505. S2CID  11911700.
  9. ^ Akimov, D.Yu.; Araújo, HM; Barnes, EJ; Belov, VA; Bewick, A.; et al. (2012). "Resultados de la sección eficaz de nucleones de WIMP de la segunda ejecución científica de ZEPLIN-III". Physics Letters B . 709 (1–2). Elsevier BV: 14–20. arXiv : 1110.4769 . Bibcode :2012PhLB..709...14A. doi :10.1016/j.physletb.2012.01.064. ISSN  0370-2693. S2CID  14136134.
  10. ^ Aprile, E.; Arisaka, K.; Arneodo, F.; Askin, A.; Baudis, L.; et al. (19 de septiembre de 2011). "Resultados de materia oscura a partir de 100 días en vivo de datos de XENON100". Physical Review Letters . 107 (13): 131302. arXiv : 1104.2549 . Bibcode :2011PhRvL.107m1302A. doi :10.1103/physrevlett.107.131302. ISSN  0031-9007. PMID  22026838. S2CID  9685630.
  11. ^ Lebedenko, VN; Araújo, HM; Barnes, EJ; Bewick, A.; Cashmore, R.; et al. (25 de septiembre de 2009). "Resultados de la primera ejecución científica del experimento de búsqueda de materia oscura ZEPLIN-III". Physical Review D . 80 (5): 052010. arXiv : 0812.1150 . Bibcode :2009PhRvD..80e2010L. doi :10.1103/physrevd.80.052010. ISSN  1550-7998. S2CID  119237969.
  12. ^ Lebedenko, VN; Araújo, HM; Barnes, EJ; Bewick, A.; Cashmore, R.; et al. (8 de octubre de 2009). "Límites de las secciones eficaces de nucleón-WIMP dependientes del espín de la primera ejecución científica del experimento ZEPLIN-III". Physical Review Letters . 103 (15): 151302. arXiv : 0901.4348 . Bibcode :2009PhRvL.103o1302L. doi :10.1103/physrevlett.103.151302. ISSN  0031-9007. PMID  19905617. S2CID  1349055.
  13. ^ Akimov, D.Yu.; Araújo, HM; Barnes, EJ; Belov, VA; Bewick, A.; et al. (2010). "Límites de la materia oscura inelástica de ZEPLIN-III". Physics Letters B . 692 (3): 180–183. arXiv : 1003.5626 . Código Bibliográfico :2010PhLB..692..180A. doi :10.1016/j.physletb.2010.07.042. ISSN  0370-2693. S2CID  67836272.

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