Das DarkSide-Experiment ist ein ehrgeiziges Forschungsvorhaben, das darauf abzielt, Wechselwirkungen zwischen Teilchen dunkler Materie in flüssigem Argon mithilfe eines Zweiphasen-Physikdetektors zu erkennen, der sich im unterirdischen Gran Sasso National Laboratory befindet. Diese Wechselwirkungen konnten durch Minimierung von Hintergrundsignalen beobachtet werden, und dies könnte dank der bemerkenswerten Unterscheidungskraft des Szintillationspulses von verflüssigtem Argon im DarkSide-50-Detektor möglich sein, der nukleare Rückstoßereignisse, die mit diesen Wechselwirkungen verbunden sind, von mehr als 100 Millionen trennen kann elektronische Rückstoßereignisse in Verbindung mit radioaktivem Hintergrund.
Das große Forscherteam, das am DarkSide-Experiment beteiligt ist, hat den Detektor kürzlich verwendet, um nach leichteren Teilchen der Dunklen Materie zu suchen. Die Ergebnisse einer neuen Suche nach Wechselwirkungen zwischen dunkler Materie und Nukleonen, veröffentlicht in Briefe zur körperlichen Überprüfungermöglichte es ihnen, neue Einschränkungen für dunkle Materie im Sub-GeV/c2-Bereich festzulegen.
„Das DarkSide-50-Experiment wurde als Test für die Verwendung von Argon aus unterirdischen Quellen konzipiert, das natürlich im radioaktiven 39Ar abgereichert ist, für die Suche nach dunkler Materie in sehr großem Maßstab“, Cristiano Galbiati, Forscher an der Princeton University und dem Gran Sasso Science Institute, sagte Phys.org. „Es ist bemerkenswert zu sehen, wie eine Gruppe junger Forscher innerhalb der Zusammenarbeit den Apparat nutzen konnte, um die beste Grenze für die Suche nach dunkler Materie zu ermitteln, die nicht Teil des ursprünglichen Umfangs des Experiments war. Wenn überhaupt, der Einfallsreichtum und die Entschlossenheit von dieser Gruppe sollte dieses wichtige Ergebnis zugeschrieben werden.“
Theoretische Vorhersagen legen nahe, dass Wechselwirkungen mit dunkler Materie äußerst selten sind, mehrere Größenordnungen weniger häufig als Wechselwirkungen, die durch die Radioaktivität von Materialien in den Detektoren und in der Umgebung verursacht werden. Um zuverlässig nach Wechselwirkungen mit dunkler Materie zu suchen, müssen Forscher daher in der Lage sein, diese verwirrenden Umweltsignale, die als radioaktiver Hintergrund bekannt sind, zu unterdrücken.
Das DarkSide-Experiment sucht speziell nach Wechselwirkungen mit dunkler Materie unter Verwendung eines edlen Ziels, insbesondere Argon, das bei kryogenen Temperaturen bei fast 200 Grad Celsius unter Null verflüssigt wird. Edle Flüssigkeiten sind ideale Ziele bei der Suche nach seltenen physikalischen Ereignissen, da sie auf Partikelwechselwirkungen reagieren, indem sie sowohl Licht durch einen als Szintillation bekannten Prozess emittieren als auch Ladungen durch Ionisation freisetzen.
„Zweiphasen-Zeitprojektionskammern sind Detektoren, die sowohl das Szintillationslicht als auch die Ionisationsladungen messen können“, sagte Paolo Agnes, ein Forscher am Gran Sasso Science Institute, gegenüber Phys.org. „Der Großteil der Zielmasse befindet sich im flüssigen Zustand. Auf der Flüssigkeit sitzt eine dünne Gasschicht. Der Detektor ist mit Lichtdetektoren ausgestattet, die typischerweise für einzelne Photonen empfindlich sind kann die Wechselwirkungsenergie rekonstruieren.“
Durch ein elektrisches Feld driften die Ionisationselektronen im Inneren des DarkSide-Detektors zur Oberfläche des flüssigen Argons. Dadurch entsteht ein stärkeres elektrisches Feld an der Flüssigkeitsoberfläche, das die Extraktion und anschließende Beschleunigung dieser Ionisationselektronen in einem Gas ermöglicht. Diese beschleunigten Elektronen erzeugen einen zweiten Lichtstoß, der im Allgemeinen aus Hunderten von Photonen für jedes extrahierte Elektron besteht.
„Durch die Kombination der Szintillations- und Ionisationssignale ist eine Rekonstruktion des Ereignisscheitels mit einer Genauigkeit von besser als 1 cm möglich, was eine sehr effiziente Unterdrückung einiger Hintergründe ermöglicht, insbesondere derjenigen, die von den Detektoroberflächen kommen“, erklärte Agnes. „Ein Vorrecht von flüssigem Argon gegenüber anderen Flüssigkeiten ist die sehr starke Unterdrückung von durch Beta- und Gamma-Radioaktivität induzierten Hintergründen, die durch Verwendung der Form des prompten Szintillationssignals um neun Größenordnungen unterdrückt werden können. Um die Zielintrinsität weiter zu reduzieren Radioaktivität, DarkSide-50 verwendet eine spezielle Argoncharge, die aus einer CO2-Bohrung in Colorado gewonnen wird und 1.000 Mal weniger radioaktiv ist als das im Handel erhältliche Argon, das aus der Atmosphäre gewonnen wird.
Der DarksSide-50-Detektor wurde fünf Jahre in Folge im unterirdischen Nationallabor von Gran Sasso in Italien betrieben. Die während dieser Zeit gesammelten Daten wurden dann von Forschern analysiert, die Teil der DarkSide-Kollaboration sind, um nach Wechselwirkungen mit dunkler Materie zu suchen.
2018 veröffentlichte die Kollaboration die Ergebnisse der ersten hintergrundfreien Suche nach Dunkler Materie in ihrem Zweiphasen-Flüssigargondetektor. Indem sie sich speziell auf die Argonszintillation konzentrieren, können sie nach Wechselwirkungen von WIMPs suchen, die Rückstöße mit einer Energie von mehr als 40 keV induzieren, was WIMP-Massen von mehr als 20 GeV/c2 entspricht.
Kürzlich wurde das Potenzial des Detektors weiter erhöht, sodass das Team nach weitaus helleren Teilchen der Dunklen Materie suchen kann, indem es nur die Argon-Ionisation nutzt. Während der Ionisationskanal nicht so gut ist wie der Szintillationskanal, um aussagekräftige Signale vom radioaktiven Hintergrund zu unterscheiden, senkt er die Schwelle für die Analyse gesammelter Daten bis in den Sub-keV-Bereich.
„Es wurden große Anstrengungen unternommen, um die Ionisationsreaktion sowohl auf elektronische (hintergrundähnliche) als auch auf nukleare (signalähnliche) Rückstöße genau zu charakterisieren, die in einem so niedrigen Energiebereich kaum bekannt sind“, Davide Franco, Forscher am Laboratoire Astroparticule et Cosmologies CNRS / Paris 7, sagte Phys.org. „Die Arbeit in diese Richtung im Jahr 2021 ermöglichte die Kalibrierung des Detektors auf einige zehn eV]ein Schlüsselelement für die jüngsten Ergebnisse. Darüber hinaus erweitert diese Arbeit das Potenzial des 50-Tonnen-LAr-Detektors der nächsten Generation (DarkSide-20k) auf die Detektion von Kernkollaps-Supernova-Neutrinos durch kohärente elastische Streuung an Kernen.“
In einem ihrer vorherige Studienveröffentlicht in Körperliche Überprüfung D Im März 2023 modellierten DarkSide-Forscher alle Hintergrundkomponenten genau in hervorragender Übereinstimmung mit den erwarteten Raten aus früheren Screening-Bemühungen des Detektormaterials. Zusammen haben diese Arbeiten ihr allgemeines Verständnis des Detektors verbessert und wertvolle Erkenntnisse geliefert, die in die Entwicklung des DarkSide-20k einfließen, eines noch fortschrittlicheren Detektors mit einem Ziel, das 1.000-mal größer ist als das von DarkSide-50.
Eine wichtige Neuerung der jüngsten Suche des Teams nach Wechselwirkungen zwischen dunkler Materie und Nukleonen ist, dass es das erste war, das speziell nach nuklearen Rückstößen suchte, die von der Emission einer elektronischen Komponente (dh dem Migdal-Effekt) in flüssigem Argon begleitet wurden. Während das Team keine bedeutsamen Wechselwirkungen entdeckte, konnten sie so neue Grenzwerte für schwach interaktive massive Teilchen (WIMPs) festlegen und sie auf eine Masse von 40 MeV/c2 bringen.
„Dieses Ergebnis brach das allgemein anerkannte Paradigma der direkten Suche nach dunkler Materie, für die die Empfindlichkeit des Sub-GeV/c2-Bereichs von der Festkörpertechnologie dominiert wird“, erklärte Franco. „Gleichzeitig demonstrierte es das Potenzial von einigen zehn Kilogramm flüssigem Argon in einem solchen Bereich im Vergleich zu flüssigen Xenon-Detektoren im Tonnenmaßstab. Es sollte unter den Errungenschaften nicht vergessen werden, die damit zusammenhängen die Suche nach Wechselwirkungen „leptophiler“ Teilchen der Dunklen Materiealso mit Elektronen-Endzuständen.“
Die jüngste Arbeit der DarkSide-Kollaboration stellt einen wichtigen Meilenstein in der laufenden Suche nach WIMPs dar, da es die erste direkte Suche nach sterilen Neutrinos war, die als mögliche Kandidaten für dunkle Materie interpretiert wurden. Derzeit baut die Global Argon Dark Matter Collaboration DarkSide-20K, den bisher fortschrittlichsten Detektor, der eine Gesamtzielmasse von 50 Tonnen flüssigen Argons enthalten soll.
„Wir haben einen Detektor entwickelt, der bei einer Exposition von 100 t pro Jahr 2 sehen sollte. Nichtsdestotrotz werden wir wie bei DarkSide-50 den Ionisationskanal nutzen, um nach Kandidaten für leichte dunkle Materie mit Massen von bis zu zehn MeV/c2 zu suchen .“
Galbiati, Agnes, Franco, Savarese und ihre Kollegen evaluieren jetzt die Empfindlichkeit des DarkSide-20K-Detektors in der Hoffnung, dass es ihnen ermöglicht wird, die bestehenden Beschränkungen für dunkle Sub-GeV-Materie weiter zu verbessern. Gleichzeitig entwerfen sie DarkSide-LowMass, ein neues spezielles Experiment, das sich speziell auf die Suche nach heller dunkler Materie konzentrieren wird.
„Dieser neue Apparat baut auf den technologischen Durchbrüchen von DarkSide-50 und DarkSide-20k auf und erweitert seine Empfindlichkeit bis hinunter zum ‚Sonnen-Neutrino-Nebel‘, was bedeutet, dass er so empfindlich ist, dass im Sonnenkern produzierte Neutrinos zum Haupthintergrund des Detektors werden.“ Sagte Savarese. „Die Studien, die das konzeptionelle Design von DS-LM und seine Reichweite im Parameterraum der Dunklen Materie detailliert beschreiben wurden kürzlich auf gepostet arXiv und werden derzeit zur Veröffentlichung auf geprüft Körperliche Überprüfung D.“
Der DarkSide-LowMass-Detektor wird eine Zweiphasen-Zeitprojektionskammer sein, die eine aktive Masse von 1,5 Tonnen Argon enthält, die aus dem Untergrund gewonnen wird. Dieses Argon soll einem aktiven Isotopenreinigungsprozess unterzogen werden, der seinen Gehalt an 39Ar um einen weiteren Faktor 10 reduzieren soll.
Im Vergleich zu den DarkSide-50- und DarkSide-20k-Detektoren wird DarkSide-LowMass eine Projektionskammerstruktur mit extrem heller Zeit haben, von der erwartet wird, dass sie die Gammaaktivität aufgrund von Verunreinigungen in den Detektormaterialien reduziert. Es wird auch ein neues Gamma-Veto-System mit niedriger Schwelle enthalten, das entwickelt wurde, um die verbleibende Hintergrundrate weiter zu unterdrücken.
„Zusätzliche Studien und technologische Entwicklungen werden es ermöglichen, die DS-LM-Empfindlichkeit für Sub-GeV-Kandidaten für eine zweite Stufe des Experiments nach den ersten wissenschaftlichen Durchläufen zu verbessern“, fügte Savarese hinzu. „Diese Bemühungen zielen darauf ab, das Signal zu verstärken, indem die Ladungsmenge pro Einheit deponierter Energie erhöht und die Detektorenergieschwelle gesenkt wird. Im Wesentlichen liegt der Leistungs-DS-LM in seiner konkurrenzlos niedrigen Rate von Hintergrundereignissen und in seiner Agilität neue Techniken nutzen, um das DM-Signal zu verstärken. Der Weg nach vorn ist klar, und ich finde es wirklich aufregend, die Grenzen der Wissenschaft auf neue Längen zu verschieben.“
Mehr Informationen:
P. Agnes et al., Suche nach Wechselwirkungen zwischen dunkler Materie und Nukleonen über den Migdal-Effekt mit DarkSide-50, Briefe zur körperlichen Überprüfung (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.101001
P. Agnes et al., Suche nach WIMPs mit geringer Masse aus dunkler Materie mit 12-Tonnen-Tag-Exposition von DarkSide-50, Körperliche Überprüfung D (2023). DOI: 10.1103/PhysRevD.107.063001
P. Agnes et al, Suche nach Wechselwirkungen zwischen Dunkler Materie und Elektronenendzuständen mit DarkSide-50, Briefe zur körperlichen Überprüfung (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.101002
P. Agnes et al, Empfindlichkeitsprojektionen für eine zweiphasige Argon-TPC, die für die Suche nach heller dunkler Materie durch den Ionisationskanal optimiert ist, arXiv (2022). DOI: 10.48550/arxiv.2209.01177
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