Conjunto de calorímetros para eventos raros del subsuelo europeo

El European Underground Rare Event Calorimeter Array ( EURECA ) es un experimento planificado para la búsqueda de materia oscura que utiliza detectores criogénicos y una masa de absorbedor de hasta 1 tonelada. El proyecto se construirá en el Laboratorio Subterráneo de Modane y reunirá a investigadores que trabajan en los experimentos CRESST y EDELWEISS . ^{[ 1 ] [ 2 ]}

EURECA ocupó un lugar destacado en la hoja de ruta de ASPERA para experimentos de física de astropartículas en Europa. ^{[ 3 ]}

La materia oscura es uno de los problemas sin resolver más importantes de la ciencia moderna. Existe evidencia considerable, tanto en astronomía como en cosmología, de que una fracción significativa de la masa del Universo y de las galaxias está compuesta de material no luminoso. La naturaleza de la materia oscura es actualmente desconocida. Sin embargo, una hipótesis popular es que consiste en Partículas Masivas de Interacción Débil (WIMP), partículas con una gran masa que solo interactúan con la materia ordinaria a través de la fuerza nuclear débil , por lo que la mayoría de las que pasan por la Tierra no impactan un solo átomo. El objetivo de los experimentos de búsqueda de materia oscura, como EURECA, es poner a prueba esta hipótesis buscando interacciones de materia oscura con WIMP. La teoría de la supersimetría predice la existencia de WIMP , que predice un amplio rango de secciones transversales de dispersión de hasta 10⁻¹⁰ ^pb , lo que corresponde a una tasa de interacción de aproximadamente 1 evento por año en un detector de 1 tonelada. ^{[ 4 ]} Experimentos existentes como CRESST y EDELWEISS ya han descartado tasas de interacción más altas, pero EURECA buscará hasta este límite inferior.

Los experimentos criogénicos de materia oscura utilizan detectores de partículas que operan a temperaturas de milikelvin para buscar la dispersión elástica de WIMPs de núcleos atómicos. La interacción de una partícula dentro de un cristal absorbente genera una gran cantidad de fonones , que se termalizan dentro de un termómetro en la superficie del cristal, el cual registra el aumento de temperatura. Estos detectores criogénicos se utilizan porque combinan una alta sensibilidad con un bajo umbral de energía y una excelente resolución.

Los experimentos de materia oscura se ubican en laboratorios subterráneos profundos y utilizan un blindaje extenso para reducir los niveles de radiación de fondo de los rayos cósmicos . Los primeros experimentos se vieron limitados por el fondo residual debido a impurezas radiactivas cerca de los detectores. Por lo tanto, la segunda fase de CRESST y EDELWEISS utilizó nuevos detectores capaces de distinguir los eventos de retroceso de electrones de los retrocesos nucleares. Los retrocesos de electrones son producidos por partículas alfa , beta y gamma , que representan la gran mayoría de los eventos de fondo. Las WIMP (y también los neutrones) producen retrocesos nucleares. Esto se hace midiendo una señal adicional, que es mucho mayor para los retrocesos de electrones que para los retrocesos nucleares. Los detectores CRESST miden la luz de centelleo producida en un cristal absorbente de _CaWO₄ o ZnWO₄ _. Los detectores EDELWEISS miden la ionización producida en un cristal semiconductor de germanio .

EURECA llevará esta tecnología de detectores criogénicos, pionera de CRESST y EDELWEISS, un paso más allá mediante la construcción de un absorbedor de 1 tonelada compuesto por numerosos módulos detectores criogénicos. El experimento prevé utilizar diversos materiales detectores. Esto permitirá determinar si una señal positiva se debe a la materia oscura, ya que se espera que la tasa de eventos sea proporcional a la masa atómica de los núcleos objetivo. En cambio, la tasa de eventos de neutrones será mayor para los núcleos más ligeros.

La colaboración EURECA incluye a las instituciones miembros de los experimentos de materia oscura CRESST , EDELWEISS y ROSEBUD , y algunos miembros nuevos. Estos son:

• Universidad de Oxford
• Comisariado de Energía Atómica
• Centro Nacional de la Investigación Científica
• Instituto Max Planck de Física
• Universidad Técnica de Múnich
• Universidad de Tubinga
• Universidad de Karlsruhe (TH)
• Centro de Investigación Karlsruhe
• JINR
• Universidad de Zaragoza
• INR Kiev
• CERN

El portavoz de la colaboración es Gilles Gerbier. El experimento se llevará a cabo en el Laboratorio Subterráneo de Modane , en el túnel de carretera de Fréjus, entre Francia e Italia, el laboratorio subterráneo más profundo de Europa.

Los investigadores de EURECA participan actualmente en la toma y el análisis de datos para CRESST y EDELWEISS. Además, se están llevando a cabo diversas actividades de I+D relacionadas con la ampliación de la tecnología del detector a una escala de 1 tonelada. Estas incluyen:

• Criogenia : EURECA requerirá enfriar una masa de una tonelada a una temperatura de milikelvin. Esto se logrará utilizando tecnología criogénica a gran escala, similar a la empleada para enfriar experimentos de ondas gravitacionales y el anillo acelerador LHC  de 27 km .
• Centelleadores : Se están realizando investigaciones para desarrollar grandes cristales absorbentes radiopuros con buenas propiedades de centelleo a bajas temperaturas. ^{[ 5 ]}
• Lectura de detectores: EURECA requerirá hardware y software para leer las señales de más de 1000 canales de detectores.

• Materia oscura
• Partícula masiva de interacción débil
• Edelweiss
• CRISTALES

• Página principal de la colaboración EURECA
• ASPERA: Red Europea de Física de Astropartículas