ArDM

El experimento ArDM ( Argon Dark Matter ) fue un experimento de física de partículas basado en un detector de argón líquido, cuyo objetivo era medir las señales de las WIMP (partículas masivas de interacción débil), que podrían constituir la materia oscura del universo. La dispersión elástica de las WIMP por los núcleos de argón se puede medir observando los electrones libres de la ionización y los fotones de la centelleación , producidos por el núcleo en retroceso al interactuar con los átomos vecinos. Las señales de ionización y centelleación se pueden medir con técnicas de lectura específicas, que constituían una parte fundamental del detector.

Para obtener una masa objetivo suficientemente alta, se utilizó el gas noble argón en fase líquida como material objetivo. Dado que el punto de ebullición del argón es de 87 K a presión normal, el funcionamiento del detector requirió un sistema criogénico .

El experimento ArDM finalizó en 2019 cuando se detuvo la toma de datos y se desmanteló el aparato experimental. El aparato del experimento ArDM se reutilizó entonces para otro experimento de física, DArT (parte del programa DarkSide), en el Laboratorio Subterráneo de Canfranc . ^{[ 1 ]}

ArDM no detectó señales de partículas de materia oscura.

El detector ArDM tenía como objetivo detectar directamente señales de WIMP mediante dispersión elástica en núcleos de argón. Durante la dispersión, se supone que una cierta energía de retroceso, que suele estar entre 1 keV y 100 keV, se transfiere de la WIMP al núcleo de argón.

No se sabe con qué frecuencia se puede esperar una señal de la interacción WIMP-argón (si es que se espera alguna). Esta tasa depende de las propiedades de la WIMP. Uno de los candidatos más populares para una WIMP es la Partícula Supersimétrica Más Ligera (LSP) o neutralino de las teorías supersimétricas . Su sección eficaz con nucleones presumiblemente se encuentra entre 10 ^{− 12} pb y 10 ^{− 6} pb, lo que hace que las interacciones WIMP-nucleón sean un evento raro. La tasa total de eventos puede aumentarse optimizando las propiedades del blanco, como aumentando la masa del blanco. El detector ArDM fue planeado para contener aproximadamente una tonelada de argón líquido. Esta masa del blanco correspondía a una tasa de eventos de aproximadamente 100 eventos por día a una sección eficaz de 10 ^{− 6} pb o 0,01 eventos por día a 10 ^{− 10} pb.

Las tasas de eventos bajas requieren un rechazo de fondo potente. Un fondo importante para los detectores basados ​​en argón proviene de la presencia del isótopo inestable ^39Ar en el argón natural licuado de la atmósfera. El ^39Ar sufre desintegración beta con una vida media de 269 años y un punto final del espectro beta en 565 keV. La relación de ionización sobre centelleo de las interacciones de electrones y rayos gamma es diferente a la que debería producir la dispersión de WIMP. Por lo tanto, el fondo de ^39Ar es fácilmente distinguible, con una determinación precisa de la relación ionización/centelleo. Como alternativa, se ha considerado el uso de argón empobrecido de pozos subterráneos.

Los neutrones emitidos por los componentes del detector y por los materiales que lo rodean interactúan con el argón de la misma manera que las supuestas WIMP. Por lo tanto, el fondo de neutrones es prácticamente indistinguible y debe reducirse al máximo, por ejemplo, seleccionando cuidadosamente los materiales del detector. Además, es necesario estimar o medir el flujo de neutrones restante.

El detector se instaló bajo tierra para evitar el ruido de fondo inducido por los rayos cósmicos .

El detector ArDM fue ensamblado y probado en el CERN en 2006. Se realizaron estudios en superficie del equipo y del rendimiento del detector antes de su traslado subterráneo en 2012 al Laboratorio Subterráneo de Canfranc en España. Fue puesto en marcha y probado a temperatura ambiente. ^{[ 2 ]} Durante la prueba subterránea de abril de 2013, el rendimiento lumínico mejoró en comparación con las condiciones de superficie. También se planificaron pruebas con gas argón frío, así como el desarrollo continuo del detector. Los resultados con argón líquido estaban previstos para 2014.

Más allá de la versión de una tonelada, el tamaño del detector puede aumentarse sin modificar fundamentalmente su tecnología. Se consideró un detector de argón líquido de diez toneladas como una posible ampliación para ArDM. Los experimentos de detección de materia oscura a escalas de masa de 1  kg a 100  kg, con resultados negativos, demostraron la necesidad de realizar experimentos a escala de toneladas.

A pesar de estudiar la materia intrínsecamente "oscura", el futuro parece prometedor para el desarrollo de detectores de materia oscura. El "Dark Side Program", del cual ArDM fue miembro, es un consorcio que ha llevado a cabo y continúa desarrollando nuevos experimentos basados ​​en argón atmosférico condensado (LAr), en lugar de xenón líquido. ^{[ 3 ]} Un aparato reciente del Dark Side, el Dark Side-50 (DS-50), emplea un método conocido como "cámaras de proyección de tiempo de argón líquido de dos fases (LAr TPC)", que permite la determinación tridimensional de las posiciones de los eventos de colisión creados por la electroluminiscencia generada por las colisiones de argón con partículas de materia oscura. ^{[ 4 ]} El programa Dark Side publicó sus primeros resultados sobre sus hallazgos en 2015, siendo hasta ahora los resultados más sensibles para la detección de materia oscura basada en argón. ^{[ 5 ]} Los métodos basados ​​en LAr utilizados para futuros aparatos presentan una alternativa a los detectores basados ​​en xenón y podrían conducir potencialmente a nuevos detectores multitoneladas más sensibles en un futuro próximo. ^{[ 6 ]}

• Sitio web de ArDM archivado el 6 de octubre de 2014 en Wayback Machine.