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XENÓN

Coordenadas : 42°25′14″N 13°30′59″E / 42.42056°N 13.51639°E / 42.42056; 13.51639 El proyecto de investigación de materia oscura XENON , operado en el Laboratorio Nacional de Gra...

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Coordenadas : 42°25′14″N 13°30′59″E / 42.42056°N 13.51639°E / 42.42056; 13.51639

El proyecto de investigación de materia oscura XENON , operado en el Laboratorio Nacional de Gran Sasso en Italia , es una instalación de detección subterránea profunda que alberga experimentos cada vez más ambiciosos con el objetivo de detectar hipotéticas partículas de materia oscura . Los experimentos buscan detectar partículas en forma de partículas masivas de interacción débil (WIMP) mediante la detección de interacciones de retroceso nuclear poco frecuentes en una cámara de xenón líquido . El detector actual consta de una cámara de proyección temporal (TPC) de doble fase.

El experimento detecta señales de centelleo e ionización producidas por la interacción de partículas externas en el volumen de xenón líquido, con el fin de buscar un exceso de eventos de retroceso nuclear en comparación con los niveles de fondo conocidos. La detección de dicha señal proporcionaría la primera evidencia experimental directa de partículas candidatas a materia oscura. La colaboración está liderada actualmente por la profesora italiana de física Elena Aprile, de la Universidad de Columbia .

Principio del detector

Esquema del principio de funcionamiento de una cámara de proyección térmica (TPC) de doble fase de xenón.

El experimento XENON utiliza una cámara de proyección temporal (TPC) de doble fase, que emplea un blanco de xenón líquido con una fase gaseosa en la parte superior. Dos conjuntos de tubos fotomultiplicadores (PMT), uno en la parte superior del detector en la fase gaseosa (GXe) y otro en la parte inferior de la capa líquida (LXe), detectan la luz de centelleo y electroluminiscencia producida por la interacción de partículas cargadas en el detector. Se aplican campos eléctricos a través de ambas fases del detector, la líquida y la gaseosa. El campo eléctrico en la fase gaseosa debe ser lo suficientemente intenso como para extraer electrones de la fase líquida.

Las interacciones de partículas en el blanco líquido producen centelleo e ionización . La luz de centelleo instantánea produce  fotones ultravioleta de 178 nm. Esta señal es detectada por los fotomultiplicadores (PMT) y se denomina señal S1. El campo eléctrico aplicado impide la recombinación de todos los electrones producidos por la interacción de partículas cargadas en la cámara de proyección temporal (TPC). Estos electrones son arrastrados hacia la superficie de la fase líquida por el campo eléctrico. La ionización se extrae entonces a la fase gaseosa por el campo eléctrico más intenso en dicha fase. El campo eléctrico acelera los electrones hasta el punto de crear una señal de centelleo proporcional que también es captada por los PMT y se denomina señal S2. Esta técnica ha demostrado ser lo suficientemente sensible como para detectar señales S2 generadas por electrones individuales. [ 1 ]

El detector permite una determinación completa de la posición 3D [ 2 ] de la interacción de partículas. Los electrones en xenón líquido tienen una velocidad de deriva uniforme. Esto permite determinar la profundidad de interacción del evento midiendo el retardo temporal entre las señales S1 y S2. La posición del evento en el plano xy se puede determinar observando el número de fotones detectados por cada uno de los PMT individuales. La posición 3D completa permite la delimitación del detector, en la que se define una región de bajo fondo en el volumen interno de la TPC. Este volumen de delimitación tiene una tasa de eventos de fondo mucho menor en comparación con las regiones del detector en el borde de la TPC, debido a las propiedades de autoapantallamiento del xenón líquido. Esto permite una sensibilidad mucho mayor al buscar eventos muy raros.

Se espera que las partículas cargadas que se mueven a través del detector interactúen con los electrones de los átomos de xenón, produciendo retrocesos electrónicos, o con el núcleo, produciendo retrocesos nucleares. Para una cantidad dada de energía depositada por la interacción de una partícula en el detector, la relación S2/S1 puede usarse como parámetro de discriminación para distinguir los eventos de retroceso electrónico y nuclear. [ 3 ] Se espera que esta relación sea mayor para los retrocesos electrónicos que para los nucleares. De esta manera, el ruido de fondo de los retrocesos electrónicos puede suprimirse en más del 99 %, mientras que simultáneamente se conserva el 50 % de los eventos de retroceso nuclear.

XENON10

El criostato y el escudo del XENON100. El escudo consta de una capa exterior de 20  cm de agua, una  capa de plomo de 20 cm, una  capa de polietileno de 20 cm y, en el interior, una  capa de cobre de 5 cm.

El experimento XENON10 se instaló en el laboratorio subterráneo de Gran Sasso, Italia, en marzo de 2006. La ubicación subterránea del laboratorio proporciona  un blindaje equivalente a 3100 m de agua. El detector se colocó dentro de un blindaje para reducir aún más la tasa de ruido de fondo en la TPC. XENON10 se concibió como un detector prototipo para demostrar la eficacia del diseño XENON, así como para verificar el umbral alcanzable, la capacidad de rechazo de ruido de fondo y la sensibilidad. El detector XENON10 contenía 15  kg de xenón líquido. El volumen sensible de la TPC mide 20  cm de diámetro y 15  cm de altura. [ 4 ]

Un análisis de 59 días de datos reales, tomados entre octubre de 2006 y febrero de 2007, no produjo señales de WIMP. El número de eventos observados en la región de búsqueda de WIMP es estadísticamente consistente con el número esperado de eventos de fondos de retroceso electrónico. Este resultado excluyó parte del espacio de parámetros disponible en modelos supersimétricos mínimos , al establecer límites en las secciones transversales WIMP-nucleón independientes del espín hasta valores inferiores a10 × 10 −43  cm 2 para un Masa de WIMP de 30 GeV/ c² . [ 5 ]

Debido a que casi la mitad del xenón natural tiene estados de espín impares ( el 129Xe tiene una abundancia del 26% y espín 1/2; el 131Xe tiene una abundancia del 21% y espín 3/2), los detectores XENON también pueden utilizarse para establecer límites en las secciones transversales dependientes del espín de WIMP-nucleón para el acoplamiento de la partícula candidata a materia oscura tanto a neutrones como a protones. XENON10 estableció las restricciones más estrictas del mundo sobre el acoplamiento de neutrones puros. [ 6 ]

XENON100

Conjunto de fotomultiplicadores Borrom de XENON100
El conjunto superior de fotomultiplicadores (PMT) de XENON100 contiene 98 fotomultiplicadores Hamamatsu R8520-06-A1. Los fotomultiplicadores del conjunto superior están dispuestos en círculos concéntricos para mejorar la reconstrucción de la posición radial de los eventos observados.
Conjunto de fotomultiplicadores Borrom de XENON100
La matriz inferior de fotomultiplicadores (PMT) del XENON100 contiene 80 PMT que están espaciados lo más cerca posible para maximizar la eficiencia de captación de luz.

El detector de segunda fase, XENON100, contiene 165  kg de xenón líquido, con 62  kg en la región objetivo y el xenón restante en un veto activo. El TPC del detector tiene un diámetro de 30  cm y una altura de 30  cm. Dado que se espera que las interacciones WIMP sean eventos extremadamente raros, se lanzó una campaña exhaustiva durante la fase de construcción y puesta en marcha de XENON100 para examinar todas las partes del detector en busca de radiactividad. El examen se realizó utilizando detectores de germanio de alta pureza . En algunos casos, se realizó espectrometría de masas en muestras de plástico de baja masa. De esta manera, se alcanzó el objetivo de diseño de <10 −2 eventos/kg/día/keV [ 7 ] , logrando el detector de materia oscura con la tasa de fondo más baja del mundo.

El detector se instaló en el Laboratorio Nacional de Gran Sasso en 2008 en el mismo blindaje que el detector XENON10, y ha realizado varias ejecuciones científicas. En cada ejecución científica, no se observó ninguna señal de materia oscura por encima del fondo esperado, lo que llevó al límite más estricto en la sección transversal WIMP-nucleón independiente del espín en 2012, con un mínimo en2,0 × 10 −45  cm 2 para un Masa de WIMP de 65 GeV/c². [ 8 ] Estos resultados restringen las interpretaciones de señales en otros experimentos como interacciones de materia oscura y descartan modelos exóticos como la materia oscura inelástica, lo que resolvería esta discrepancia. [ 9 ] XENON100 también ha proporcionado límites mejorados en la sección transversal WIMP-nucleón dependiente del espín. [ 10 ] En 2014 se publicó un resultado de axión , [ 11 ] estableciendo un nuevo mejor límite de axión.

XENON100 operó el experimento con el fondo más bajo en ese momento, para búsquedas de materia oscura, con un fondo de 50 mDRU (1 mDRU = 10 −3 eventos/kg/día/keV). [ 12 ]

XENON1T

La construcción de la siguiente fase, XENON1T, comenzó en el pabellón B del Laboratorio Nacional de Gran Sasso en 2014. El detector contiene 3,2 toneladas de xenón líquido ultrapuro y tiene un volumen fiducial de aproximadamente 2 toneladas. El detector está alojado en un  tanque de agua de 10 m que actúa como veto de muones. La cámara de proyección temporal (TPC) tiene 1  m de diámetro y 1  m de altura.

El equipo del proyecto del detector, llamado Colaboración XENON, está compuesto por 135 investigadores de 22 instituciones de Europa, Oriente Medio y Estados Unidos. [ 13 ]

Límite superior para la sección eficaz independiente del espín WIMP-nucleón según datos recientes (publicados en noviembre de 2017).

Los primeros resultados de XENON1T fueron publicados por la colaboración XENON el 18 de mayo de 2017, basados ​​en 34 días de toma de datos entre noviembre de 2016 y enero de 2017. Si bien no se detectaron oficialmente señales de WIMP o candidatos a materia oscura, el equipo anunció una reducción récord en los niveles de radiactividad de fondo detectados por XENON1T. Los límites de exclusión superaron los mejores límites anteriores establecidos por el experimento LUX , con una exclusión de secciones transversales mayores que7,7 × 10 −47  cm 2 para masas de WIMP de35  GeV/ c2 . [ 14 ] [ 15 ] Debido a que algunas señales que recibe el detector podrían deberse a neutrones, reducir la radiactividad aumenta la sensibilidad a las WIMP . [ 16 ]

En septiembre de 2018, el experimento XENON1T publicó sus resultados tras 278,8 días de datos recopilados. Se estableció un nuevo límite récord para las interacciones elásticas independientes del espín WIMP-nucleón, con un mínimo de4,1 × 10 −47  cm 2 a una masa de WIMP de30  GeV / c2 . [ 17 ]

En abril de 2019, basándose en mediciones realizadas con el detector XENON1T, la Colaboración XENON informó en Nature la primera observación directa de la captura doble de electrones con dos neutrinos en núcleos de xenón-124. [ 18 ] La vida media medida de este proceso, que es varios órdenes de magnitud mayor que la edad del Universo, demuestra las capacidades de los detectores basados ​​en xenón para buscar eventos raros y muestra el amplio alcance físico de experimentos aún más grandes de próxima generación. Esta medición representa un primer paso en la búsqueda del proceso de captura doble de electrones sin neutrinos , cuya detección proporcionaría información sobre la naturaleza del neutrino y permitiría determinar su masa absoluta.

A partir de 2019, el experimento XENON1T dejó de tomar datos para permitir la construcción de la siguiente fase, XENONnT. [ 19 ] El detector XENON1T operó entre 2016 y 2018, y las operaciones del detector finalizaron a finales de 2018. [ 20 ]

En junio de 2020, la colaboración XENON1T informó un exceso de retrocesos de electrones: 285 eventos, 53 más que los 232 esperados [ 21 ] [ 22 ] con una significancia estadística de 3,5σ. [ 23 ] Se consideraron tres explicaciones: la existencia de axiones solares hasta ahora hipotéticos , un momento magnético sorprendentemente grande para los neutrinos y la contaminación por tritio en el detector. Posteriormente, otros grupos dieron múltiples explicaciones adicionales [ 24 ] y en 2021 también se discutió una interpretación de los resultados no como partículas de materia oscura, sino como candidatos a partículas de energía oscura llamadas camaleones . [ 25 ] [ 26 ] En julio de 2022, un nuevo análisis de XENONnT descartó el exceso. [ 27 ] [ 28 ]

XENONnT

XENONnT es una actualización del experimento XENON1T, ubicado bajo tierra en LNGS. Sus sistemas contendrán una masa total de xenón de más de 8 toneladas. Además de un blanco de xenón más grande en su cámara de proyección temporal, el experimento actualizado contará con nuevos componentes para reducir o etiquetar aún más la radiación que, de otro modo, constituiría ruido de fondo en sus mediciones. Está diseñado para alcanzar una sensibilidad (en una pequeña parte del rango de masas analizado) donde los neutrinos se convierten en un ruido de fondo significativo. En 2019, la actualización estaba en curso y se esperaba la primera luz en 2020. [ 19 ] [ 29 ]

El detector XENONnT estaba en construcción en marzo de 2020. Incluso con los problemas que planteó la COVID-19, el proyecto pudo terminar la construcción y avanzar a la fase de puesta en marcha a mediados de 2020. Las operaciones completas del detector comenzaron a finales de 2020. [ 20 ] [ 30 ] En septiembre de 2021, XENONnT estaba tomando datos científicos para su primera ejecución científica, que estaba en curso en ese momento. [ 31 ]

El 28 de julio de 2023, XENONnT publicó los primeros resultados de su búsqueda de WIMPs, [ 32 ] excluyendo las secciones transversales superiores2.58×10−47dometro2{\displaystyle 2.58\times 10^{-47}cm^{2}}a 28 GeV con un nivel de confianza del 90%, [ 33 ] conjuntamente en la misma fecha el experimento LZ también publicó sus primeros resultados excluyendo secciones transversales superiores9.2×10−48dometro2{\displaystyle 9.2\times 10^{-48}cm^{2}}a 36 GeV con un nivel de confianza del 90%. [ 34 ]

Referencias

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  2. ↑ Aprile, E.; et al. (Colaboración XENON100) (2012). "El experimento de materia oscura XENON100". Astroparticle Physics . 35 (9): 573– 590. arXiv : 1107.2155 . Bibcode : 2012APh....35..573X . CiteSeerX 10.1.1.255.9957 . doi : 10.1016/j.astropartphys.2012.01.003 . S2CID 53682520 .   
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  6. ↑ Angle, J.; et al. (Colaboración XENON10) (2008). "Límites en las secciones transversales WIMP-nucleón dependientes del espín del experimento XENON10". Physical Review Letters . 101 (9) 091301. arXiv : 0805.2939 . Bibcode : 2008PhRvL.101i1301A . doi : 10.1103/PhysRevLett.101.091301 . PMID 18851599 . S2CID 38014288 .   
  7. ↑ Aprile, E.; et al. (Colaboración XENON100) (2011). "Selección y análisis de materiales para XENON100". Astroparticle Physics . 35 (2): 43– 49. arXiv : 1103.5831 . Bibcode : 2011APh....35...43A . doi : 10.1016/j.astropartphys.2011.06.001 . S2CID 119223885 .  
  8. ↑ Aprile, E.; et al. (Colaboración XENON100) (2012). "Resultados de materia oscura a partir de 225 días de datos en vivo de XENON100". Physical Review Letters . 109 (18) 181301. arXiv : 1207.5988 . Bibcode : 2012PhRvL.109r1301A . doi : 10.1103/physrevlett.109.181301 . PMID 23215267 . S2CID 428676 .   
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  10. ↑ Aprile, E.; et al. (Colaboración XENON100) (2012). "Límites en las secciones transversales WIMP-nucleón dependientes del espín a partir de 225 días de datos de XENON100". Physical Review Letters . 111 (2) 021301. arXiv : 1301.6620 . Bibcode : 2013PhRvL.111b1301A . doi : 10.1103/PhysRevLett.111.021301 . PMID 23889382 . S2CID 15433829 .   
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Lecturas adicionales

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  • El experimento XENON
  • Página principal de XENON en la Universidad de Chicago
  • Página principal de XENON en la Universidad de Columbia.
  • Página principal de XENON en la Universidad de Zúrich
  • Página principal de XENON en la Universidad Rice. Archivada el 2 de diciembre de 2021 en Wayback Machine.
  • Página principal de XENON en la Universidad de Brown. Archivada el 27/12/2009 en la Wayback Machine.
  • Katsuhi Arisaka, XENON de la Universidad de California, Los Ángeles
  • Gráfico del límite de materia oscura Archivado el 9 de noviembre de 2006 en Wayback Machine con los últimos resultados de XENON y otros experimentos.
  • Iluminando la oscuridad, CERN Courier, 27 de septiembre de 2013. Archivado el 4 de enero de 2014 en Wayback Machine .

42°25′14″N 13°30′59″E / 42.42056°N 13.51639°E / 42.42056; 13.51639