ЗЕПЛИН-III - ZEPLIN-III

Эксперимент ZEPLIN-III: детектор WIMP, построенный в основном из меди, включал две камеры в сосуде криостата: верхняя содержала 12 кг активного жидкого ксенона; матрица из 31 фотоумножителя, работающих в погруженном в жидкость, для обнаружения быстрой сцинтилляции, а также замедленной электролюминесценции от тонкого слоя газа над жидкостью. В нижней камере находился жидкий азот для охлаждения. Детектор был окружен полипропиленом, наполненным Gd, для замедления и захвата нейтронов, потенциального источника фона. Гамма-излучение от захвата нейтронов регистрировалось 52 модулями пластикового сцинтиллятора, размещенными вокруг замедлителя. Экранирование завершалось свинцовым замком толщиной 20 см.

В ZEPLIN-III эксперимент с темной материей попытался обнаружить галактические вимпы с помощью 12-килограммовой мишени из жидкого ксенона. Он работал в Подземная лаборатория Боулби (Северо-Восточная Англия, Великобритания) в период 2006–2011 гг. Это был последний из серии экспериментов на основе ксенона в программе ZEPLIN, первоначально проводившейся Сотрудничество Великобритании с темной материей (UKDMC). Проект ZEPLIN-III возглавлял Имперский колледж Лондон а также включены Лаборатория Резерфорда Эпплтона и Эдинбургский университет в Великобритании, а также LIP-Коимбра в Португалии и ИТЭФ-Москва в России. Он исключил сечения упругого рассеяния вимпов на нуклонах выше 3,9 × 10−8 pb (3.9 × 10−44 см2) из двух научных прогонов, проведенных в Боулби (83 дня в 2008 г. и 319 дней в 2010/11 г.).

Прямой темная материя поисковые эксперименты ищут чрезвычайно редкие и очень слабые столкновения между холодная темная материя частицы, которые, как считается, пронизывают нашу галактику, и ядра атомов в активной среде детектора излучения. Эти гипотетические элементарные частицы могут быть Слабо взаимодействующие массивные частицы, или WIMP, весом всего несколько протонов или несколько тяжелых ядер. Их природа еще не известна, но разумных кандидатов не осталось в Стандартная модель физики элементарных частиц чтобы объяснить проблему темной материи.

Технология обнаружения

Конденсированные благородные газы, особенно жидкий ксенон и жидкий аргон, являются отличными средствами обнаружения излучения. Они могут создавать две сигнатуры для каждого взаимодействия частиц: быстрая вспышка света (мерцание ) и местное снятие заряда (ионизация ). В двухфазном ксеноне - так называемом, поскольку он включает в себя равновесие жидкой и газовой фаз - сцинтилляционный свет, возникающий при взаимодействии в жидкости, обнаруживается непосредственно с помощью фотоумножители; ионизационные электроны, высвобождаемые в месте взаимодействия, дрейфуют к поверхности жидкости под действием внешнего электрического поля, а затем испускаются в тонкий слой паров ксенона. Попав в газ, они генерируют второй, более сильный импульс света (электролюминесценция или пропорциональная сцинтилляция), которая обнаруживается той же решеткой фотоумножителей. Эти системы также известны как «детекторы выбросов» ксенона.[1]

Это конфигурация камера времени проекции (TPC); это позволяет трехмерную реконструкцию места взаимодействия, поскольку координата глубины (z) может быть измерена очень точно по временному интервалу между двумя световыми импульсами. Горизонтальные координаты могут быть восстановлены по образцу попаданий в матрице (ах) фотоумножителя. Критически важно для поиска WIMP, соотношение между двумя каналами отклика (сцинтилляция и ионизация) позволяет отклонить преобладающий фон для поиска WIMP: гамма и бета-излучение от следов радиоактивности в материалах детекторов и в непосредственной близости. События-кандидаты WIMP производят более низкие отношения ионизации / сцинтилляции, чем более распространенные фоновые взаимодействия.

Программа ZEPLIN впервые использовала двухфазную технологию для поиска WIMP. Однако сама технология была впервые разработана для обнаружения излучения с использованием аргона в начале 1970-х годов.[1] Лебеденко, один из первооткрывателей Московский инженерно-физический институт, участвовал в создании ZEPLIN-III в Великобритании с 2001 года. Разработанный вместе с ним, но в более короткие сроки, ZEPLIN-II был первым подобным детектором WIMP, который работал в мире (2005).[2] Эта технология также была очень успешно принята КСЕНОН программа. Двухфазный аргон также использовался для поиска темной материи. WARP сотрудничество и ArDM. ЛЮКС разрабатывает аналогичные системы, в которых установлены улучшенные ограничения.

Сигнал от двухфазного ксенонового детектора ZEPLIN-III. Быстрый сцинтилляционный импульс (S1) быстро генерируется сцинтилляцией в жидкости; более крупный, задержанный импульс (S2) получается, когда ионизация, дрейфующая от места взаимодействия, испускается в тонкую газовую фазу над жидкостью. На вставках под кривыми сигналов показано моделирование оптических сигналов методом Монте-Карло.

История

В ZEPLIN (ZonEd Пропорциональная сцинтилляция в жидких благородных газах) серия экспериментов была прогрессивной программой, проводимой UK Dark Matter Collaboration с использованием жидкого ксенона. Он развивался вместе с ДРИФТ программа, которая способствовала использованию газонаполненных TPC для получения информации о направлении рассеяния WIMP. В конце 1980-х UKDMC исследовал потенциал различных материалов и технологий, включая криогенный LiF, CaF2, кремний и германий, из которых возникла программа в Боулби, основанная на комнатной температуре Сцинтилляторы NaI (Tl).[3] Последующий переход на новый материал мишени, жидкий ксенон, был мотивирован осознанием того, что благородные жидкие мишени по своей природе более масштабируемы и могут обеспечить более низкие пороговые значения энергии и лучшую дискриминацию фона.[4] В частности, внешние слои основной мишени, на которые больше влияет внешний фон, могут быть принесены в жертву при анализе данных, если положение взаимодействий известно; это оставляет внутренний реперный объем с потенциально очень низкими фоновыми скоростями. Этот эффект самозащиты (на который ссылается термин «зональный» в придуманном аббревиатуре ZEPLIN) объясняет более быстрое увеличение чувствительности этих целей по сравнению с технологиями, основанными на модульном подходе, принятом с кристаллическими детекторами, где каждый модуль приносит свой собственный фон.

ЗЕПЛИН-Iмишень из жидкого ксенона весом 3 кг, работавшая в Боулби с конца 1990-х годов.[5] Он использовал различение формы импульса для подавления фона, используя небольшую, но полезную разницу между временными характеристиками сцинтилляционного света, вызванного WIMP и фоновыми взаимодействиями. Затем последовали двухфазные системы ZEPLIN-II и ZEPLIN-III, которые были спроектированы и построены параллельно в г. RAL /UCLA и Имперский колледж, соответственно.

ЗЕПЛИН-II была первой двухфазной системой, развернутой для поиска темной материи в мире;[2] он состоял из 30 кг жидкой ксеноновой мишени, покрытой 3-миллиметровым слоем газа в так называемой трехэлектродной конфигурации: отдельные электрические поля прикладывались к основной части жидкости (мишень WIMP) и к газовой области над ней посредством использование дополнительного электрода под поверхностью жидкости (в дополнение к анодной сетке, расположенной над газом, и катоду на дне камеры). В ZEPLIN-II матрица из 7 фотоумножителей просматривала камеру сверху в газовой фазе.

ЗЕПЛИН-III был предложен в конце 1990-х,[6] частично на основе аналогичной концепции, разработанной в ИТЭФ,[7] и построен проф. Тим Самнер и его команда в Имперском колледже. Она была развернута под землей в Боулби в конце 2006 года, где проработала до 2011 года. Это была двухэлектродная камера, в которой эмиссия электронов в газ достигалась за счет сильного (4 кВ / см) поля в объеме жидкости, а не за счет дополнительный электрод. Матрица фотоумножителей содержала 31 детектор фотонов, наблюдающих за мишенью WIMP снизу, погруженной в холодный жидкий ксенон.[8]

ZEPLIN-II и -III были специально разработаны по-разному, чтобы технологии, используемые в каждой подсистеме, могли быть оценены и выбраны для заключительного эксперимента, предложенного UKDMC: ксеноновая мишень тонного масштаба (ЦЕПЛИН-МАКС) способный исследовать большую часть пространства параметров, одобренную теорией на тот момент (1 × 10−10 pb), хотя эта последняя система никогда не строилась в Великобритании из-за отсутствия финансирования.

Полученные результаты

Хотя мишень из жидкого ксенона ZEPLIN-III была построена в том же масштабе, что и ее предшественники ZEPLIN, она достигла значительного улучшения чувствительности WIMP из-за более высокого достигнутого коэффициента дискриминации и более низкого общего фона. В 2011 году он опубликовал пределы исключения для спин-независимого сечения упругого рассеяния вимпов-нуклонов выше 3,9 × 10−8 pb для массы WIMP 50 ГэВ.[9] Хотя и не так жестко, как результаты XENON100,[10] это было достигнуто с использованием в 10 раз меньшей реперной массы и продемонстрировало лучшую дискриминацию фона, когда-либо достигнутую в этих детекторах. Сечение, зависящее от спина WIMP-нейтрона, было исключено выше 8,0 × 10−3 pb.[11][12] Он также исключил модель неупругого рассеяния WIMP, которая пыталась согласовать положительное утверждение ДАМА при отсутствии сигнала в других экспериментах.[13]

Рекомендации

  1. ^ а б Б. А. Долгошеин, В. Н. Лебеденко, Б. И. Родионов, «Новый метод регистрации треков ионизирующих частиц в конденсированных средах», JETP Lett. 11(11): 351 (1970)
  2. ^ а б Alner, G.J .; Araújo, H.M .; Bewick, A .; Bungau, C .; Camanzi, B .; и другие. (2007). «Первые ограничения на сигналы ядерной отдачи WIMP в ZEPLIN-II: двухфазный ксеноновый детектор для обнаружения темной материи». Физика астрономических частиц. Elsevier BV. 28 (3): 287–302. arXiv:astro-ph / 0701858. Дои:10.1016 / j.astropartphys.2007.06.002. ISSN  0927-6505.
  3. ^ См. Полный список ссылок UKDMC в http://hepwww.rl.ac.uk/ukdmc/pub/fulpub.html
  4. ^ Дэвис, G.J .; Дэвис, J.D .; Lewin, J.D .; Smith, P.F .; Джонс, W.G. (1994). «Жидкий ксенон как детектор темной материи. Перспективы дискриминации ядер отдачи по времени фотонов». Письма по физике B. Elsevier BV. 320 (3–4): 395–399. Дои:10.1016/0370-2693(94)90676-9. ISSN  0370-2693.
  5. ^ Alner, G.J .; Araujo, H .; Arnison, G.J .; Barton, J.C .; Bewick, A .; и другие. (2005). «Первые ограничения на события ядерной отдачи от галактического детектора темной материи ZEPLIN I». Физика астрономических частиц. Elsevier BV. 23 (5): 444–462. Дои:10.1016 / j.astropartphys.2005.02.004. ISSN  0927-6505.
  6. ^ Т. Дж. Самнер и другие., «ZEPLIN-III: двухфазный ксеноновый детектор темной материи», в: Proc. 3-й Int. Мастерская. Идентификатор. Темная материя, Spooner & Kudryavtsev (Eds): World Scientific, стр. 452–456 (2001).
  7. ^ Д.Ю. Акимов и другие.«Сцинтилляционный двухфазный ксеноновый детектор с подавлением гамма- и электронного фона для поиска темной материи», в: Источники и обнаружение темной материи во Вселенной: Северная Голландия, стр. 461–464 (1998).
  8. ^ АКИМОВ, Д; ALNER, G; ARAUJO, H; БЕВИК, А; БУНГАУ, C; и другие. (2007). «Детектор темной материи ZEPLIN-III: приборостроение, изготовление и ввод в эксплуатацию». Физика астрономических частиц. Elsevier BV. 27 (1): 46–60. Дои:10.1016 / j.astropartphys.2006.09.005. HDL:10316/4383. ISSN  0927-6505.
  9. ^ Акимов Д.Ю .; Araújo, H.M .; Barnes, E.J .; Белов, В.А .; Bewick, A .; и другие. (2012). «Поперечное сечение вимпов и нуклонов - результат второго научного исследования ZEPLIN-III». Письма по физике B. Elsevier BV. 709 (1–2): 14–20. arXiv:1110.4769. Дои:10.1016 / j.physletb.2012.01.064. ISSN  0370-2693.
  10. ^ Aprile, E .; Arisaka, K .; Arneodo, F .; Аскин, А .; Baudis, L .; и другие. (2011-09-19). «Результаты темной материи из 100 дней живых данных XENON100». Письма с физическими проверками. Американское физическое общество (APS). 107 (13): 131302. arXiv:1104.2549. Дои:10.1103 / Physrevlett.107.131302. ISSN  0031-9007.
  11. ^ Лебеденко, В. Н .; Araújo, H.M .; Barnes, E.J .; Bewick, A .; Cashmore, R .; и другие. (2009-09-25). «Результаты первого научного запуска эксперимента по поиску темной материи ZEPLIN-III». Физический обзор D. Американское физическое общество (APS). 80 (5): 052010. arXiv:0812.1150. Дои:10.1103 / физревд.80.052010. ISSN  1550-7998.
  12. ^ Лебеденко, В. Н .; Araújo, H.M .; Barnes, E.J .; Bewick, A .; Cashmore, R .; и другие. (2009-10-08). "Пределы спин-зависимых сечений WIMP-нуклонов из первого научного прогона эксперимента ZEPLIN-III". Письма с физическими проверками. Американское физическое общество (APS). 103 (15): 151302. arXiv:0901.4348. Дои:10.1103 / Physrevlett.103.151302. ISSN  0031-9007.
  13. ^ Акимов Д.Ю .; Araújo, H.M .; Barnes, E.J .; Белов, В.А .; Bewick, A .; и другие. (2010). «Пределы неупругой темной материи от ZEPLIN-III». Письма по физике B. Elsevier BV. 692 (3): 180–183. arXiv:1003.5626. Дои:10.1016 / j.physletb.2010.07.042. ISSN  0370-2693.

внешняя ссылка

Координаты: 54 ° 33′12 ″ с.ш. 0 ° 49′28 ″ з.д. / 54,5534 ° с.ш.0,8245 ° з. / 54.5534; -0.8245