ArDM - ArDM
O ArDM ( Argon Dark Matter ) Experiment é um experimento de física de partículas baseado em um detector de argônio líquido , com o objetivo de medir sinais de WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles), que provavelmente constituem a matéria escura do universo. O espalhamento elástico de WIMPs de núcleos de argônio é mensurável pela observação de elétrons livres de ionização e fótons de cintilação , que são produzidos pelo núcleo recuando interagindo com átomos vizinhos. Os sinais de ionização e cintilação podem ser medidos com técnicas de leitura dedicadas, que constituem uma parte fundamental do detector.
Para obter uma massa alvo alta o suficiente, o gás nobre argônio é usado na fase líquida como material alvo. Como o ponto de ebulição do argônio está em 87 K à pressão normal, a operação do detector requer um sistema criogênico .
Objetivos experimentais
O detector ArDM visa detectar diretamente sinais de WIMPs via espalhamento elástico de núcleos de argônio. Durante o espalhamento, uma certa energia de recuo - normalmente situada entre 1 keV e 100 keV - é transferida do WIMP para o núcleo de argônio.
Não se sabe com que frequência um sinal de interação WIMP-argônio pode ser esperado. Essa taxa depende do modelo subjacente que descreve as propriedades do WIMP. Um dos candidatos mais populares para um WIMP é a Partícula Supersimétrica Mais Leve (LSP) ou neutralino de teorias supersimétricas . Sua seção transversal com núcleos presumivelmente está entre 10 −12 pb e 10 −6 pb, tornando as interações WIMP-núcleo um evento raro. A taxa total de eventos pode ser aumentada otimizando as propriedades do alvo, como aumentar a massa alvo. O detector ArDM foi planejado para conter aproximadamente uma tonelada de argônio líquido. Esta massa alvo corresponde a uma taxa de eventos de aproximadamente 100 eventos por dia em uma seção transversal de 10 -6 pb ou 0,01 eventos por dia em 10 -10 pb.
Taxas de eventos pequenas requerem uma rejeição de fundo poderosa. Um importante pano de fundo vem da presença do isótopo instável 39 Ar no argônio natural liquefeito da atmosfera. 39 Ar sofre decadência beta com uma meia-vida de 269 anos e um ponto final do espectro beta em 565 keV. A proporção de ionização sobre cintilação de interações elétron e gama é diferente do que o espalhamento WIMP produz. O fundo de 39 Ar é, portanto, bem distinguível, com uma determinação precisa da razão ionização / cintilação. Como alternativa, está sendo considerado o uso de argônio empobrecido de poços subterrâneos.
Os nêutrons emitidos pelos componentes do detector e pelos materiais ao redor do detector interagem com o argônio da mesma forma que os WIMPs. O fundo de nêutrons é, portanto, quase indistinguível e deve ser reduzido o melhor possível, como por exemplo escolhendo cuidadosamente os materiais do detector. Além disso, é necessária uma estimativa ou medição do fluxo de nêutrons remanescente.
O detector está planejado para funcionar no subsolo, a fim de evitar fundos induzidos por raios cósmicos .
Status de construção
O detector ArDM foi montado e testado no CERN em 2006. Estudos acima do solo do equipamento e desempenho do detector foram realizados antes de ser movido para o subsolo em 2012 no Laboratório Subterrâneo de Canfranc na Espanha. Ele foi preenchido com foi comissionado e testado em temperatura ambiente. Durante a corrida subterrânea de abril de 2013, o rendimento de luz foi melhorado em comparação com as condições da superfície.
Estão planejadas futuras execuções de gás argônio frio, bem como o desenvolvimento contínuo do detector. Os resultados do argônio líquido estão planejados para 2014.
Além da versão de uma tonelada, o tamanho do detector pode ser aumentado sem alterar fundamentalmente sua tecnologia. Um detector de argônio líquido de dez toneladas é uma possibilidade de expansão imaginável para o ArDM. Os experimentos atuais para detecção de matéria escura em uma escala de massa de 1 kg a 100 kg com resultados negativos demonstram a necessidade de experimentos em escala de toneladas.
Resultados e direções futuras
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Apesar de estudar matéria inerentemente 'escura', o futuro parece brilhante para o desenvolvimento de detectores de matéria escura. O "Dark Side Program" é um consórcio que conduz e continua a desenvolver novos experimentos baseados em argônio atmosférico condensado (LAr), em vez de xenônio líquido. Um recente aparelho Dark Side, o Dark Side-50 (DS-50), emprega um método conhecido como "câmaras de projeção de tempo de argônio líquido de duas fases (LAr TPCs)", que permite a determinação tridimensional de posições de eventos de colisão criadas por a eletrolumnescência criada por colisões de argônio com partículas de matéria escura. O programa Dark Side divulgou seus primeiros resultados em suas descobertas em 2015, até agora sendo os resultados mais sensíveis para detecção de matéria escura baseada em argônio. Os métodos baseados em LAr usados para aparelhos futuros apresentam uma alternativa aos detectores baseados em xenônio e podem levar a novos detectores de várias toneladas mais sensíveis em um futuro próximo.