ЗЕПЛИН-III - ZEPLIN-III
Темная материя эксперимент ZEPLIN-III попытки обнаружить галактические вимпов с использованием 12 кг жидкой мишени ксеноновой. Он работал в подземной лаборатории Боулби (Северо-Восточная Англия, Великобритания) в период 2006–2011 гг. Это был последний из серии экспериментов на основе ксенона в программе ZEPLIN, первоначально проводившейся UK Dark Matter Collaboration (UKDMC). Проект ZEPLIN-III возглавлялся Имперским колледжем Лондона, в него также входили Лаборатория Резерфорда Эпплтона и Эдинбургский университет в Великобритании, а также LIP-Coimbra в Португалии и ITEP-Москва в России. Он исключил сечения упругого рассеяния вимпов на нуклонах выше 3,9 × 10 −8 пб (3,9 × 10 −44 см 2 ) из двух научных прогонов, проведенных в Боулби (83 дня в 2008 году и 319 дней в 2010/11 году). .
Эксперименты по прямому поиску темной материи ищут чрезвычайно редкие и очень слабые столкновения, которые, как ожидается, произойдут между холодными частицами темной материи, которые, как считается, пронизывают нашу галактику, и ядрами атомов в активной среде детектора излучения. Эти гипотетические элементарные частицы могут быть слабовзаимодействующими массивными частицами или вимпами, весящими всего несколько протонов или несколько тяжелых ядер. Их природа еще не известна, но в Стандартной модели физики элементарных частиц не осталось разумных кандидатов для объяснения проблемы 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 ( сцинтилляция ) и локальное высвобождение заряда ( ионизация ). В двухфазном ксеноне - так называемом, поскольку он включает в себя жидкую и газовую фазы в равновесии - сцинтилляционный свет, создаваемый взаимодействием в жидкости, регистрируется непосредственно с помощью фотоэлектронных умножителей ; ионизационные электроны, высвобождаемые в месте взаимодействия, дрейфуют к поверхности жидкости под действием внешнего электрического поля, а затем испускаются в тонкий слой паров ксенона. Попадая в газ, они генерируют второй, более мощный импульс света ( электролюминесценция или пропорциональная сцинтилляция), который регистрируется тем же массивом фотоумножителей. Эти системы также известны как «детекторы выбросов» ксенона.
Это конфигурация проекционной камеры времени (TPC); он 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 реакции (сцинтилляция и ионизация) позволяет отклонить преобладающий фон для поиска WIMP: гамма- и бета-излучение от следов радиоактивности в материалах детектора 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 сам метод был впервые разработан для обнаружения излучения с использованием аргона в начале 1970-х годов. Лебеденко, один из первопроходцев в Московском инженерно-физическом институте , 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). Эта технология также была очень успешно принята программой XENON . Двухфазный аргон также использовался для поиска темной материи коллаборацией WARP и ArDM . LUX разрабатывает аналогичные системы, в которых установлены улучшенные ограничения.
История
Серия экспериментов ZEPLIN ( Пропорциональная сцинтилляция ZonEd в жидких благородных газах ) была прогрессивной программой, проводимой UK Dark Matter Collaboration с использованием жидкого ксенона. Он развивался вместе с программой DRIFT, 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, CaF 2 , кремний и германий, из которых в Боулби появилась программа, основанная на сцинтилляторах NaI (Tl) при комнатной температуре . 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 энергетические пороги и лучшую дискриминацию фона. В частности, внешние слои основной мишени, на которые больше влияет внешний фон, могут быть принесены в жертву во время анализа 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.
ZEPLIN-I , мишень из жидкого ксенона весом 3 кг, работала в Боулби с конца 1990-х годов. 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 разработаны и построены параллельно в RAL / UCLA и Imperial College , соответственно.
ZEPLIN-II была первой двухфазной системой, развернутой для поиска темной материи в мире; он состоял из мишени из жидкого ксенона весом 30 кг, 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.
ZEPLIN-III был предложен в конце 1990-х, частично основан на аналогичной концепции, разработанной в ИТЭФ, и построен профессором Тимом Самнером и его командой в Имперском колледже. Он был развернут под землей в Боулби в конце 2006 года, где проработал 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.
ZEPLIN-II и -III были специально разработаны по-разному, чтобы технологии, используемые в каждой подсистеме, могли быть оценены и выбраны для финального эксперимента, предложенного UKDMC: ксеноновая мишень тонного масштаба ( ZEPLIN-MAX ), способная зондирование большей части пространства параметров, одобренное теорией на тот момент (1 × 10 -10 пб), хотя эта последняя система никогда не была построена 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 за счет более высокого достигнутого коэффициента дискриминации и более низкого общего фона. В 2011 году он опубликовал пределы исключения для спин-независимого сечения упругого рассеяния вимпов на нуклонах выше 3,9 × 10 -8 пб для вимпов с массой 50 ГэВ. Хотя это и не так строго, как у XENON100 , это было достигнуто с использованием в 10 раз меньшей реперной массы и продемонстрировало лучшее распознавание фона, когда-либо достигнутое в этих детекторах. Сечение, зависящее от спина WIMP-нейтрона, было исключено выше 8,0 × 10 -3 пбн. Это также исключило модель неупругого рассеяния WIMP, которая пыталась согласовать положительное утверждение DAMA с отсутствием сигнала в других экспериментах.
Рекомендации
внешняя ссылка
Координаты : 54.5534 ° N 0.8245 ° W 54 ° 33′12 ″ с.ш., 0 ° 49′28 ″ з.д. /