ANAIS-112

ANAIS ( Modulación anual con centelleadores de NaI ) es un experimento de detección directa de materia oscura ubicado en el Laboratorio Subterráneo de Canfranc (LSC), en España, operado por un equipo de investigadores del CAPA de la Universidad de Zaragoza.

El objetivo de ANAIS es confirmar o refutar, de forma independiente del modelo, el resultado positivo del experimento DAMA/LIBRA ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]} : una modulación anual en la tasa de detección de baja energía que presenta todas las características esperadas para la señal inducida por partículas de materia oscura de interacción débil ( WIMP ) en un halo galáctico estándar . Esta modulación se produce como resultado de la rotación de la Tierra alrededor del Sol. DAMA/LIBRA ha observado durante unos 20 años una modulación con todas las características de una señal de materia oscura (DM), pero está en fuerte tensión con los resultados negativos de otros experimentos de detección directa de DM. ^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]} La compatibilidad entre los diferentes resultados experimentales en la mayoría de los escenarios WIMP-DM convencionales es en realidad desfavorable, ^{[ 20 ] [ 21 ]} pero depende fuertemente de los modelos de partículas y halo de DM considerados. Una comparación utilizando el mismo material objetivo, NaI (Tl), es más directa y casi independiente del modelo.

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El montaje experimental ANAIS-112 consta de 112,5  kg de NaI (Tl), distribuidos en 9 módulos cilíndricos de 12,5  kg cada uno, fabricados por Alpha Spectra Inc. y dispuestos en una configuración de 3 × 3.

Entre las características más relevantes de los módulos ANAIS-112, cabe destacar su notable calidad óptica, que, combinada con el uso de fotomultiplicadores (PMT) Hamamatsu de alta eficiencia cuántica , resulta en una muy alta captación de luz, del orden de 15 fotoelectrones (phe) por keV en los nueve módulos. ^{[ 23 ]} Las señales de los dos PMT acoplados a cada módulo se digitalizan a 2 GS/s en una ventana de 1,2 μs con alta resolución (14 bits ). El disparo requiere la coincidencia de las dos señales de disparo de los PMT en una ventana de 200 ns, mientras que el disparo individual de cada PMT se establece en el nivel de un solo phe.

Otra característica interesante es una ventana de Mylar en el centro de una de las caras laterales de los detectores, que permite calibrar simultáneamente los nueve módulos con fuentes externas de rayos X / gamma de hasta 10 keV en un entorno libre de radón . Se lleva a cabo una cuidadosa calibración de baja energía de la región de interés (ROI), de 1 a 6 keV, combinando información de calibraciones externas y de fondo. Las calibraciones externas con una fuente de ^109Cd se realizan cada dos semanas, y cada mes y medio se seleccionan depósitos de energía a 3,2 y 0,87 keV provenientes de contaminaciones internas de ^40K y ^22Na en un módulo ANAIS, aprovechando la coincidencia con un rayo gamma de alta energía en un segundo módulo.

El experimento ANAIS-112 está instalado dentro de un blindaje que consta de una capa interna de 10 cm de plomo  arqueológico y una capa externa de 20 cm de plomo de baja actividad. Este blindaje de plomo está encerrado en una caja antirradón, herméticamente cerrada y mantenida a sobrepresión con gas nitrógeno libre de radón . La capa externa del blindaje (el blindaje de neutrones ) consta de 40 cm de una combinación de tanques de agua y ladrillos de polietileno . Un veto activo compuesto por 16 centelleadores plásticos se coloca entre la caja antirradón y el blindaje de neutrones , cubriendo la parte superior y los laterales del montaje, lo que permite marcar eficazmente el flujo de muones residual in situ durante la toma de datos de ANAIS-112. ANAIS-112 se puso en marcha durante la primavera de 2017 y comenzó la fase de toma de datos en la sala B del LSC el 3 de agosto de 2017 bajo una sobrecarga de roca de 2450 mwe. El tiempo de funcionamiento del experimento, útil para el análisis, supera el 95%, lo que permite alcanzar un ciclo de trabajo elevado . El tiempo de inactividad se debe principalmente a la calibración periódica de los módulos.   

Se ha logrado una comprensión del fondo, excepto en la región de energía [1-2] keV, donde el modelo de fondo subestima la tasa de eventos medida. ^{[ 24 ]} La contaminación del volumen del cristal es la fuente dominante de fondo, siendo las contribuciones de ²¹⁰ Pb, ⁴⁰ K, ²² Na, ³ H las más relevantes en la región de interés. Considerando en conjunto los nueve módulos ANAIS-112, el fondo promedio en la ROI es de 3,6 cpd/kg/keV después de tres años de toma de datos, ^{[ 25 ]} mientras que el fondo de DAMA/LIBRAphase2 es inferior a 0,80 cpd/kg/keV en el intervalo de energía [1–2] keV, inferior a 0,24 cpd/kg/keV en el intervalo de energía [2–3] keV, e inferior a 0,12 cpd/kg/keV en el intervalo de energía [3–4] keV. ^{[ 3 ]}

El desarrollo de protocolos de filtrado basados ​​en la forma del pulso y la distribución de la luz entre los dos fotomultiplicadores ha sido crucial para cumplir el objetivo de ANAIS-112, ya que la tasa de disparo en la región de interés está dominada por eventos de centelleo no masivos . La determinación de la eficiencia correspondiente es muy importante y se calcula utilizando eventos de ¹⁰⁹ Cd, ⁴⁰ K y ²² Na. Es muy cercana al 100 % hasta los 2 keV, y luego disminuye bruscamente hasta aproximadamente el 15 % a 1 keV, donde se establece el umbral de análisis. ^{[ 22 ]}

Se ha aplicado un protocolo ciego para el análisis de modulación anual de los datos de ANAIS-112: los eventos de impacto único en la ROI se mantienen ciegos durante la selección de eventos. Hasta ahora, se han realizado tres desenmascaramientos de los datos: a los 1,5 años, ^{[ 26 ]} a los 2 años, ^{[ 27 ]} y a los 3 años, ^{[ 25 ]} que corresponden a exposiciones de 157,55, 220,69 y 313,95  kg×año, respectivamente. La búsqueda anual de modulación de ANAIS-112 se realiza en las mismas regiones exploradas por la colaboración DAMA/LIBRA, [1–6] keV y [2–6] keV, fijando el período a 1 año y el máximo de la modulación al 2 de junio.

Para evaluar la significancia estadística de una posible modulación en los datos de ANAIS–112, se calcula la tasa de eventos de los nueve detectores en intervalos de 10 días y se minimiza χ ² = Σ _i (n _i − μ _i ) ² /σ ² _i , donde n _i es el número de eventos en el intervalo de tiempo t _i (corregido por el tiempo en vivo y la eficiencia del detector), σ _i es la incertidumbre de Poisson correspondiente , corregida en consecuencia, y μ _i es el número esperado de eventos en ese intervalo de tiempo, que depende del modelo de fondo y se puede escribir como: μ _i = [R ₀ φ _bkg (t _i ) + S _m cos(ω(t _i − t ₀ ))]M∆E∆t.

Aquí, R ₀ representa la tasa no modulada en el experimento,${\displaystyle \phi _{bkg}}$es la función de distribución de probabilidad (PDF) en el tiempo de cualquier componente no modulado, S _m es la amplitud de modulación, ω está fijo a 2π/365 d = 0,01721 rad d ⁻¹ , t ₀ a −62,2 d (el origen del tiempo se ha tomado el 3 de agosto y luego el máximo del coseno está el 2 de junio), M es la masa total del detector, ∆E es el ancho del intervalo de energía y ∆t el ancho del intervalo de tiempo. R ₀ es un parámetro libre, mientras que S _m está fijo a 0 (para la hipótesis nula ) o se deja sin restricciones, positivo o negativo (para la hipótesis de modulación).

La hipótesis nula está bien respaldada para los datos de 3 años en ambas regiones de energía, siendo los resultados para los dos modelos de fondo (una exponencial simple o una PDF basada en el modelo de fondo de Monte Carlo ) compatibles. La desviación estándar σ(S _m ) es ligeramente menor cuando los detectores se consideran de forma independiente, como se esperaba después del análisis de sensibilidad a priori . ^{[ 28 ]} Por lo tanto, este ajuste se elige para citar el resultado final de modulación anual de ANAIS-112 y la sensibilidad para una exposición de tres años. Los mejores ajustes son incompatibles con el resultado de DAMA/LIBRA en 3,3 y 2,6 σ en las regiones de energía [1-6] y [2-6] keV, para una sensibilidad de 2,5 (2,7)σ en [1–6] keV ([2–6] keV). Los resultados de ANAIS-112 para 1,5, ^{[ 26 ]} 2 ^{[ 27 ]} y 3 años ^{[ 25 ]} de toma de datos confirman completamente la proyección de sensibilidad.

Los resultados de ANAIS-112 respaldan las perspectivas de alcanzar una sensibilidad superior a 3σ en 2022, dentro del plazo previsto de 5 años para la toma de datos.

Se han realizado varias comprobaciones de consistencia (cambiando el número de detectores que intervienen en el ajuste, considerando solo los dos primeros años o los dos últimos, o cambiando el tamaño del intervalo de tiempo), concluyendo que no hay indicios que respalden incertidumbres sistemáticas relevantes en el resultado. El rendimiento de un amplio conjunto de pseudoexperimentos de Monte Carlo muestreados a partir del modelo de fondo garantiza que el ajuste no esté sesgado. También se ha llevado a cabo un análisis de frecuencia, y la conclusión es que no existe modulación estadísticamente significativa en el rango de frecuencias analizado en los datos de ANAIS-112. ^{[ 25 ]}

La limitación de sensibilidad de ANAIS-112 se debe principalmente al alto ruido de fondo en la ROI, pero en particular en la región de 1 a 2 keV. En este contexto, la aplicación de técnicas de aprendizaje automático basadas en árboles de decisión potenciados (BDT), actualmente en desarrollo, podría mejorar el rechazo de estos eventos de centelleo no masivos. Los resultados preliminares apuntan a una mejora relevante de la sensibilidad. ^{[ 31 ]} Extender la toma de datos durante algunos años más podría permitir probar DAMA/LIBRA al nivel de 5σ. La operación en el Laboratorio Subterráneo de Canfranc ha sido autorizada hasta finales de 2025.

Una posible sistemática que afecta la comparación entre los resultados de DAMA/LIBRA y ANAIS es una posible respuesta diferente del detector a los retrocesos nucleares, ya que ambos experimentos se calibran utilizando rayos X/gammas. Es bien sabido que la centelleación se extingue fuertemente para la energía depositada por los retrocesos nucleares con respecto a la misma energía depositada por los electrones. Las mediciones de los factores de extinción (QF) en centelleadores de NaI se ven afectadas por grandes discrepancias.  Los QF de los detectores ANAIS-112 se están determinando después de las mediciones en TUNL. ^{[ 32 ]} Además, se está desarrollando un programa de calibración completo para el experimento utilizando fuentes de neutrones en el sitio.

Los resultados publicados de ANAIS-112 están disponibles en acceso abierto en la página web del Centro de Datos de Materia Oscura: https://www.origins-cluster.de/odsl/dark-matter-data-center/available-datasets/anais

Los datos están disponibles bajo petición.

La operación del experimento ANAIS cuenta actualmente con el apoyo financiero de MICIU/AEI/10.13039/501100011033 (Subvenciones No. PID2022-138357NB-C21 y PID2019-104374GB-I00), y la Unión Europea NextGenerationEU/PRTR (AstroHEP) y el Gobierno de Aragón. La financiación de la Subvención FPA2017-83133-P, Programa Consolider-Ingenio 2010 bajo las subvenciones MULTIDARK CSD2009-00064 y CPAN CSD2007-00042, el Gobierno de Aragón y el Consorcio LSC hicieron posible la instalación de los detectores. Se agradece calurosamente el apoyo técnico del personal de LSC y GIFNA, así como de Servicios de Apoyo a la Investigación de la Universidad de Zaragoza (SAI).

• Sitio web del experimento ANAIS
• Sitio web del Laboratorio Subterráneo de Canfranc
• Sitio web del proyecto DAMA
• El centro de datos de materia oscura