DEAP - DEAP

Este artigo é sobre o experimento com matéria escura. Para estrutura de computação, consulte DEAP (software) .
Detector DEAP-3600 durante a construção em 2014

DEAP ( Experimento de matéria escura usando discriminação de forma de pulso de argônio ) é um experimento de pesquisa direta de matéria escura que usa argônio líquido como material alvo. DEAP utiliza discriminação de fundo com base na forma de pulso de cintilação característica do argônio. Um detector de primeira geração ( DEAP-1 ) com uma massa alvo de 7 kg foi operado na Queen's University para testar o desempenho da discriminação da forma de pulso em baixas energias de recuo em argônio líquido. O DEAP-1 foi então movido para SNOLAB , 2 km abaixo da superfície da Terra, em outubro de 2007 e os dados coletados em 2011.

O DEAP-3600 foi projetado com 3600 kg de massa de argônio líquido ativo para atingir a sensibilidade a seções transversais de espalhamento WIMP -nucleon tão baixas quanto 10 −46 cm 2 para uma massa de partícula de matéria escura de 100 GeV / c 2 . O detector DEAP-3600 concluiu a construção e iniciou a coleta de dados em 2016. Um incidente com o detector forçou uma curta pausa na coleta de dados em 2016. A partir de 2019, o experimento está coletando dados.

Para alcançar uma sensibilidade ainda melhor à matéria escura, a Global Argon Dark Matter Collaboration foi formada com cientistas dos experimentos DEAP, DarkSide , CLEAN e ArDM . Um detector com massa de argônio líquido acima de 20 toneladas ( DarkSide-20k ) está planejado para operação no Laboratori Nazionali del Gran Sasso . Os esforços de pesquisa e desenvolvimento estão trabalhando em um detector de próxima geração ( ARGO ) com uma massa alvo de argônio líquido de várias centenas de toneladas projetada para atingir o piso de neutrinos, planejado para operar no SNOLAB devido ao seu ambiente de radiação de fundo extremamente baixo.

Propriedades de cintilação de argônio e rejeição de fundo

Como o argônio líquido é um material cintilante, uma partícula interagindo com ele produz luz em proporção à energia depositada da partícula incidente, este é um efeito linear para baixas energias antes que a extinção se torne um fator contribuinte importante. A interação de uma partícula com o argônio causa ionização e recuo ao longo do caminho de interação. Os núcleos de argônio que recuam sofrem recombinação ou auto-aprisionamento, resultando em última análise na emissão de fótons ultravioleta a vácuo (VUV) de 128 nm. Além disso, o argônio líquido tem a propriedade única de ser transparente à sua própria luz de cintilação, o que permite rendimentos de luz de 10's de milhares de fótons produzidos para cada MeV de energia depositada.

Espera-se que o espalhamento elástico de uma partícula de matéria escura WIMP com um núcleo de argônio faça com que o núcleo recue. Espera-se que seja uma interação de energia muito baixa (keV) e requer um limite de detecção baixo para ser sensível. Devido ao limite de detecção necessariamente baixo, o número de eventos de segundo plano detectados é muito alto. A assinatura tênue de uma partícula de matéria escura, como um WIMP, será mascarada por muitos tipos diferentes de eventos de fundo possíveis. Uma técnica para identificar esses eventos de matéria não escura é a discriminação de forma de pulso (PSD), que caracteriza um evento com base na assinatura de tempo da luz de cintilação do argônio líquido.

PSD é possível em um detector de argônio líquido porque as interações devido a diferentes partículas incidentes, como elétrons , fótons de alta energia , alfas e nêutrons, criam diferentes proporções de estados excitados dos núcleos de argônio recuando, estes são conhecidos como estados singleto e tripleto e eles decaem com tempos de vida característicos de 6 ns e 1300 ns, respectivamente. As interações de gamas e elétrons produzem principalmente estados excitados de tripletos por meio de recuos eletrônicos, enquanto as interações de nêutrons e alfa produzem estados excitados de singletos por meio de recuos nucleares. Espera-se que as interações WIMP-núcleo também produzam um sinal do tipo recuo nuclear devido ao espalhamento elástico da partícula de matéria escura com o núcleo de argônio.

Usando a distribuição do tempo de chegada da luz para um evento, é possível identificar sua provável origem. Isso é feito quantitativamente medindo a proporção da luz medida pelos fotodetectores em uma janela "prompt" (<60 ns) sobre a luz medida em uma janela "atrasada" (<10.000 ns). No DEAP, este parâmetro é denominado Fprompt. Os eventos do tipo de recuo nuclear têm altos valores de Fprompt (~ 0,7), enquanto os eventos de recuo eletrônico têm um valor de Fprompt baixo (~ 0,3). Devido a essa separação em Fprompt para eventos semelhantes a WIMP (Recuo Nuclear) e de fundo (Recuo Eletrônico), é possível identificar com exclusividade as fontes de fundo mais dominantes no detector.

O fundo mais abundante no DEAP vem do decaimento beta do Argônio-39, que tem uma atividade de aproximadamente 1 Bq / kg no argônio atmosférico. A discriminação de eventos de fundo beta e gama de recuos nucleares na região de energia de interesse (perto de 20 keV de energia do elétron) deve ser melhor do que 1 em 10 8 para suprimir suficientemente esses fundos para uma pesquisa de matéria escura no argônio atmosférico líquido.

DEAP-1

A primeira etapa do projeto DEAP, DEAP-1, foi desenhada para caracterizar várias propriedades do argônio líquido, demonstrar a discriminação da forma de pulso e refinar a engenharia. Este detector era muito pequeno para realizar pesquisas de matéria escura. O DEAP-1 usou 7 kg de argônio líquido como alvo para as interações WIMP. Dois tubos fotomultiplicadores (PMTs) foram usados ​​para detectar a luz de cintilação produzida por uma partícula interagindo com o argônio líquido. Como a luz de cintilação produzida é de comprimento de onda curto (128 nm), um filme de deslocamento de comprimento de onda foi usado para absorver a luz de cintilação ultravioleta e reemitir no espectro visível (440 nm), permitindo que a luz passasse por janelas comuns sem quaisquer perdas e eventualmente detectado pelos PMTs.

O DEAP-1 demonstrou boa discriminação da forma de pulso dos fundos na superfície e começou a operar no SNOLAB. A localização subterrânea profunda reduziu eventos cosmogênicos indesejáveis ​​de fundo. O DEAP-1 foi executado de 2007 a 2011, incluindo duas mudanças na configuração experimental. O DEAP-1 caracterizou os eventos de segundo plano, determinando as melhorias de design necessárias no DEAP-3600.

DEAP-3600

O detector DEAP-3600 foi projetado para utilizar 3600 kg de argônio líquido, com volume fiducial de 1000 kg, sendo o volume restante utilizado como autoproteção e veto de fundo. Ele está contido em um recipiente de acrílico esférico de aproximadamente 2 m de diâmetro , o primeiro de seu tipo já criado. O recipiente de acrílico é cercado por 255 tubos fotomultiplicadores de alta eficiência quântica (PMTs) para detectar a luz de cintilação de argônio. O recipiente de acrílico é alojado em uma concha de aço inoxidável submersa em um tanque de proteção de 7,8 m de diâmetro cheio de água ultra pura. A parte externa da casca de aço tem 48 PMTs de veto adicionais para detectar a radiação Cherenkov produzida pelas partículas cósmicas que chegam, principalmente múons .

Os materiais usados ​​no detector DEAP foram obrigados a aderir a padrões de pureza de rádio estritos para reduzir a contaminação de evento de fundo. Todos os materiais usados ​​foram testados para determinar os níveis de radiação presente, e os componentes internos do detector tinham requisitos rígidos para a emanação de radônio , que emite radiação alfa de suas filhas em decomposição . O vaso interno é revestido com material de deslocamento de comprimento de onda TPB que foi evaporado a vácuo na superfície. TPB é um material de deslocamento de comprimento de onda comum usado em experimentos de argônio líquido e xenônio líquido devido à sua rápida reemissão e alto rendimento de luz, com um espectro de emissão com pico de 425 nm, na região de sensibilidade para a maioria dos PMTs.

A sensibilidade projetada do DEAP em termos de seção transversal do núcleo WIMP independente do spin é de 10 −46 cm 2 a 100 GeV / c 2 após três anos de coleta de dados.

Instituições colaboradoras

As instituições colaboradoras incluem:

Essa colaboração se beneficia em grande parte da experiência de muitos membros e instituições adquiridas no projeto Sudbury Neutrino Observatory (SNO), que estudou neutrinos , outra partícula de interação fraca.

Status do DEAP-3600

Após a conclusão da construção, o detector DEAP-3600 começou a coletar dados de comissionamento e calibração em fevereiro de 2015 com purga de gás nitrogênio no detector. O preenchimento do detector foi concluído e a coleta de dados para pesquisa de matéria escura foi iniciada em 5 de agosto de 2016. Logo após o preenchimento inicial do detector com argônio líquido, um anel de vedação de butila falhou em 17 de agosto de 2016 e contaminou o argônio com 100 ppm de N 2 O detector foi então ventilado e enchido novamente, mas desta vez para um nível de 3300 kg para evitar uma nova ocorrência da falha de vedação: este segundo enchimento foi concluído em novembro de 2016. A primeira pesquisa de matéria escura resultados com uma exposição de 4,44 dias vivos a partir do preenchimento inicial foram publicados em agosto de 2017, dando um limite de seção transversal de 1,2 × 10 −44 cm 2 para uma massa WIMP de 100 GeV / c 2 .

A sensibilidade aprimorada à matéria escura foi alcançada em fevereiro de 2019, com uma análise de dados coletados ao longo de 231 dias vivos a partir do segundo preenchimento em 2016-2017, dando um limite de seção transversal de 3,9 × 10 −45 cm 2 para 100 GeV / c 2 massa WIMP. Esta análise atualizada demonstrou o melhor desempenho já alcançado em argônio líquido no limite, para a técnica de discriminação de forma de pulso contra fundos beta e gama. A colaboração também desenvolveu novas técnicas para rejeitar fundos de recuo nuclear raros, usando a distribuição observada de luz no espaço e no tempo após um evento de cintilação.

A partir de 2019, o DEAP-3600 continua a pesquisar matéria escura.

Referências

links externos