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ZEPLIN-III

Coordenadas : 54°33′12″N 0°49′28″W / 54.5534°N 0.8245°W / 54.5534; -0.8245 Experimento ZEPLIN-III: el detector WIMP, construido principalmente de cobre, incluía dos cámaras dent...

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Coordenadas : 54°33′12″N 0°49′28″W / 54.5534°N 0.8245°W / 54.5534; -0.8245

Experimento ZEPLIN-III: el detector WIMP, construido principalmente de cobre, incluía dos cámaras dentro de un criostato: la superior contenía 12  kg de xenón líquido activo; una matriz de 31 fotomultiplicadores operaba sumergida en el líquido para detectar la centelleación instantánea, así como la electroluminiscencia retardada de una fina capa de gas sobre el líquido. La cámara inferior contenía nitrógeno líquido para la refrigeración. El detector estaba rodeado de polipropileno cargado con gadolinio para moderar y capturar neutrones, una posible fuente de ruido de fondo. Los rayos gamma provenientes de la captura de neutrones fueron detectados por 52 módulos de centelleador plástico colocados alrededor del moderador. El blindaje se completó con una capa de plomo de 20 cm de espesor.

El experimento de materia oscura ZEPLIN-III intentó detectar WIMP galácticas utilizando un  blanco de xenón líquido de 12 kg. Operó entre 2006 y 2011 en el Laboratorio Subterráneo de Boulby en Loftus, North Yorkshire . Este fue el último de una serie de experimentos basados ​​en xenón del programa ZEPLIN, originalmente impulsado por la Colaboración Británica de Materia Oscura (UKDMC). El proyecto ZEPLIN-III fue liderado por el Imperial College de Londres y también contó con la participación del Laboratorio Rutherford Appleton y la Universidad de Edimburgo en el Reino Unido, así como de LIP-Coimbra en Portugal e ITEP-Moscú en Rusia. Descartó secciones transversales para la dispersión elástica de WIMPs de nucleones por encima de 3,9 × 10 −8 pb (3,9 × 10 −44 cm 2 ) de las dos campañas científicas realizadas en Boulby (83 días en 2008 y 319 días en 2010/11).

Los experimentos de búsqueda directa de materia oscura buscan colisiones extremadamente raras y muy débiles que se espera que ocurran entre las partículas frías de materia oscura que se cree que impregnan nuestra galaxia y los núcleos de los átomos en el medio activo de un detector de radiación. Estas hipotéticas partículas elementales podrían ser Partículas Masivas de Interacción Débil (WIMP, por sus siglas en inglés), con pesos que van desde unos pocos protones hasta varios núcleos pesados. Su naturaleza aún se desconoce, pero no quedan candidatos plausibles dentro del Modelo Estándar de la física de partículas para explicar el problema de la materia oscura.

Tecnología de detección

Los gases nobles condensados, en particular el xenón líquido y el argón líquido, son excelentes medios para la detección de radiación. Pueden producir dos señales para cada interacción de partículas: un destello de luz rápido ( centelleo ) y la liberación localizada de carga ( ionización ). En el xenón bifásico —llamado así porque involucra fases líquida y gaseosa en equilibrio— la luz de centelleo producida por una interacción en el líquido se detecta directamente con tubos fotomultiplicadores ; los electrones de ionización liberados en el punto de interacción se desplazan hacia la superficie del líquido bajo un campo eléctrico externo y posteriormente se emiten en una fina capa de vapor de xenón. Una vez en el gas, generan un segundo pulso de luz más grande ( electroluminiscencia o centelleo proporcional), que es detectado por el mismo conjunto de fotomultiplicadores. Estos sistemas también se conocen como "detectores de emisión" de xenón. [ 1 ]

Esta configuración corresponde a una cámara de proyección temporal (TPC); permite la reconstrucción tridimensional del sitio de interacción, ya que la coordenada de profundidad (z) se puede medir con gran precisión a partir de la separación temporal entre los dos pulsos de luz. Las coordenadas horizontales se pueden reconstruir a partir del patrón de impacto en la matriz de fotomultiplicadores. Fundamental para la búsqueda de WIMP, la relación entre los dos canales de respuesta (centelleo e ionización) permite rechazar los fondos predominantes: la radiación gamma y beta proveniente de trazas de radiactividad en los materiales del detector y el entorno inmediato. Los eventos candidatos a WIMP producen relaciones de ionización/centelleo más bajas que las interacciones de fondo más frecuentes.

El programa ZEPLIN fue pionero en el uso de la tecnología de dos fases para la búsqueda de WIMP. Sin embargo, la técnica en sí se desarrolló por primera vez para la detección de radiación utilizando argón a principios de la década de 1970. [ 1 ] Lebedenko, uno de sus pioneros en el Instituto de Física de Ingeniería de Moscú , participó en la construcción de ZEPLIN-III en el Reino Unido a partir de 2001. Desarrollado paralelamente, pero en una escala de tiempo más rápida, ZEPLIN-II fue el primer detector de WIMP de este tipo en operar en el mundo (2005). [ 2 ] Esta tecnología también fue adoptada con gran éxito por el programa XENON . El argón de dos fases también se ha utilizado para la búsqueda de materia oscura por la colaboración WARP y ArDM . LUX está desarrollando sistemas similares que han establecido límites mejorados.

Señal del detector de xenón bifásico ZEPLIN-III. El pulso de centelleo rápido (S1) se genera instantáneamente por la centelleación en el líquido; un pulso retardado de mayor amplitud (S2) se obtiene una vez que la ionización, proveniente del punto de interacción, se emite a la fina fase gaseosa situada sobre el líquido. Los recuadros debajo de las trazas de señal muestran la simulación de Monte Carlo de las señales ópticas.

Historia

La serie de experimentos ZEPLIN ( ZonEd Proportional scintillation in LIquid Noble gases ) fue un programa progresivo llevado a cabo por la Colaboración de Materia Oscura del Reino Unido utilizando xenón líquido. Evolucionó junto con el programa DRIFT que promovió el uso de TPC llenos de gas para recuperar información direccional sobre la dispersión de WIMP. A finales de la década de 1980, la UKDMC había explorado el potencial de diferentes materiales y técnicas, incluyendo LiF criogénico, CaF2 , silicio y germanio, de los cuales surgió un programa en Boulby basado en centelleadores de NaI(Tl) a temperatura ambiente . [ 3 ] El paso posterior a un nuevo material objetivo, el xenón líquido, fue motivado por la constatación de que los objetivos líquidos nobles son inherentemente más escalables y podrían alcanzar umbrales de energía más bajos y una mejor discriminación de fondo. [ 4 ] En particular, las capas externas del objetivo masivo, afectadas más por fondos externos, pueden sacrificarse durante el análisis de datos si se conoce la posición de las interacciones; Esto deja un volumen fiducial interno con tasas de fondo potencialmente muy bajas. Este efecto de autoapantallamiento (al que alude el término "zonificado" en el acrónimo ZEPLIN) explica la mayor sensibilidad de estos objetivos en comparación con las tecnologías basadas en un enfoque modular, como las que utilizan detectores de cristal, donde cada módulo genera su propio ruido de fondo.

ZEPLIN-I , un blanco de xenón líquido de 3  kg, operó en Boulby desde finales de la década de 1990. [ 5 ] Utilizaba discriminación de forma de pulso para el rechazo del fondo, aprovechando una pequeña pero útil diferencia entre las propiedades de temporización de la luz de centelleo causada por las WIMP y las interacciones del fondo. A este le siguieron los sistemas de dos fases ZEPLIN-II y ZEPLIN-III, que fueron diseñados y construidos en paralelo en RAL / UCLA e Imperial College , respectivamente.

ZEPLIN-II fue el primer sistema bifásico desplegado para buscar materia oscura en el mundo; [ 2 ] consistía en un  blanco de xenón líquido de 30 kg cubierto por una  capa de gas de 3 mm en una configuración denominada de tres electrodos: se aplicaban campos eléctricos separados al volumen del líquido (blanco WIMP) y a la región gaseosa por encima de él mediante un electrodo adicional debajo de la superficie del líquido (además de una rejilla de ánodo, ubicada sobre el gas, y un cátodo, en el fondo de la cámara). En ZEPLIN-II, una matriz de 7 fotomultiplicadores observaba la cámara desde arriba en la fase gaseosa.

ZEPLIN-III se propuso a finales de la década de 1990, [ 6 ] basándose en parte en un concepto similar desarrollado en ITEP, [ 7 ] y construido por el profesor Tim Sumner y su equipo en el Imperial College. Se instaló bajo tierra en Boulby a finales de 2006, donde operó hasta 2011. Era una cámara de dos electrodos, donde la emisión de electrones al gas se lograba mediante un campo fuerte (4 kV/cm) en el seno del líquido en lugar de mediante un electrodo adicional. El conjunto de fotomultiplicadores contenía 31 detectores de fotones que observaban el objetivo WIMP desde abajo, inmerso en el xenón líquido frío. [ 8 ]

ZEPLIN-II y -III fueron diseñados deliberadamente de maneras diferentes, para que las tecnologías empleadas en cada subsistema pudieran evaluarse y seleccionarse para el experimento final propuesto por el UKDMC: un blanco de xenón a escala de tonelada ( ZEPLIN-MAX ) capaz de explorar la mayor parte del espacio de parámetros favorecido por la teoría en ese momento (1 × 10 −10 pb), aunque este último sistema nunca se construyó en el Reino Unido por falta de financiación.

Resultados

Aunque el blanco de xenón líquido ZEPLIN-III se construyó a la misma escala que sus predecesores ZEPLIN, logró mejoras significativas en la sensibilidad WIMP debido al mayor factor de discriminación alcanzado y a un fondo general más bajo. En 2011 publicó límites de exclusión en la sección transversal de dispersión elástica WIMP-nucleón independiente del espín por encima de 3,9 × 10 −8 pb para una masa WIMP de 50 GeV. [ 9 ] Aunque no tan estricto como los resultados de XENON100 , [ 10 ] esto se logró con una masa fiducial 10 veces menor y demostró la mejor discriminación de fondo jamás lograda en estos detectores. La sección transversal WIMP-neutrón dependiente del espín se excluyó por encima de 8,0 × 10 −3 pb. [ 11 ] [ 12 ] También descartó un modelo de dispersión inelástica WIMP que intentaba conciliar una afirmación positiva de DAMA con la ausencia de señal en otros experimentos. [ 13 ]

Referencias

  1. 1 2 B. A. Dolgoshein, VN Lebedenko y BI Rodionov, "Nuevo método de registro de trayectorias de partículas ionizantes en materia condensada", JETP Lett. 11(11): 351 (1970)
  2. 1 2 Alner, GJ; Araújo, HM; Bewick, A.; Bungau, C.; Camanzi, B.; et  al. (2007). "Primeros límites en las señales de retroceso nuclear de WIMP en ZEPLIN-II: Un detector de xenón de dos fases para la detección de materia oscura". Astroparticle Physics . 28 (3): 287– 302. arXiv : astro-ph/0701858 . Bibcode : 2007APh....28..287A . doi : 10.1016/j.astropartphys.2007.06.002 . ISSN 0927-6505 . S2CID 1044263 .  
  3. ↑ Consulte la lista completa de referencias de UKDMC en http://hepwww.rl.ac.uk/ukdmc/pub/fulpub.html. Archivado el 6 de julio de 2009 en Wayback Machine.
  4. ↑ Davies, GJ; Davies, JD; Lewin, JD; Smith, PF; Jones, WG (1994). "Xenón líquido como detector de materia oscura. Perspectivas para la discriminación del retroceso nuclear mediante la sincronización de fotones". Physics Letters B . 320 ( 3– 4). Elsevier BV: 395– 399. Bibcode : 1994PhLB..320..395D . doi : 10.1016/0370-2693(94)90676-9 . ISSN 0370-2693 . 
  5. ↑ Alner, GJ; Araujo, H.; Arnison, GJ; Barton, JC; Bewick, A.; et al. (2005). "Primeros límites en eventos de retroceso nuclear del detector de materia oscura galáctica ZEPLIN I". Astroparticle Physics . 23 (5). Elsevier BV: 444– 462. Bibcode : 2005APh....23..444U . doi : 10.1016/j.astropartphys.2005.02.004 . ISSN 0927-6505 .  
  6. ↑ TJ Sumner et al. , "ZEPLIN-III: un detector de materia oscura de xenón de dos fases", en: Proc. 3rd Int. Workshop. Id. Dark Matter , Spooner & Kudryavtsev (Eds): World Scientific, pp. 452–456 (2001)
  7. ↑ D. Yu. Akimov et al. , "Detector de xenón de dos fases por centelleo con rechazo de fondo gamma y electrónico para la búsqueda de materia oscura", en: Fuentes y detección de materia oscura en el universo : North Holland, págs. 461–464 (1998)
  8. ↑ AKIMOV, D; ALNER, G; ARAUJO, H; BEWICK, A; BUNGAU, C; et al. (2007). "El detector de materia oscura ZEPLIN-III: diseño, fabricación y puesta en servicio del instrumento". Física de Astropartículas . 27 (1): 46– 60. arXiv : astro-ph/0605500 . Código Bib : 2007APh....27...46A . doi : 10.1016/j.astropartphys.2006.09.005 . hdl : 10316/4383 . ISSN 0927-6505 . S2CID 11911700 .   
  9. ↑ Akimov, D.Yu.; Araújo, HM; Barnes, EJ; Belov, VA; Bewick, A.; et al. (2012). "Resultados de la sección transversal WIMP-nucleón de la segunda ejecución científica de ZEPLIN-III". Physics Letters B . 709 ( 1– 2). Elsevier BV: 14– 20. arXiv : 1110.4769 . Bibcode : 2012PhLB..709...14A . doi : 10.1016/j.physletb.2012.01.064 . ISSN 0370-2693 . S2CID 14136134 .   
  10. ↑ Aprile, E.; Arisaka, K.; Arneodo, F.; Askin, A.; Baudis, L.; et al. (19 de septiembre de 2011). "Resultados de materia oscura a partir de 100 días de datos en vivo de XENON100". Physical Review Letters . 107 (13) 131302. arXiv : 1104.2549 . Bibcode : 2011PhRvL.107m1302A . doi : 10.1103/physrevlett.107.131302 . ISSN 0031-9007 . PMID 22026838 . S2CID 9685630 .    
  11. ↑ Lebedenko, VN; Araújo, HM; Barnes, EJ; Bewick, A.; Cashmore, R.; et al. (25 de septiembre de 2009). "Resultados de la primera ejecución científica del experimento de búsqueda de materia oscura ZEPLIN-III". Physical Review D . 80 (5) 052010. arXiv : 0812.1150 . Bibcode : 2009PhRvD..80e2010L . doi : 10.1103/physrevd.80.052010 . ISSN 1550-7998 . S2CID 119237969 .   
  12. ↑ Lebedenko, VN; Araújo, HM; Barnes, EJ; Bewick, A.; Cashmore, R.; et al. (8 de octubre de 2009). "Límites en las secciones transversales WIMP-nucleón dependientes del espín de la primera ejecución científica del experimento ZEPLIN-III". Physical Review Letters . 103 (15) 151302. arXiv : 0901.4348 . Bibcode : 2009PhRvL.103o1302L . doi : 10.1103/physrevlett.103.151302 . ISSN 0031-9007 . PMID 19905617 . S2CID 1349055 .    
  13. ↑ Akimov, D.Yu.; Araújo, HM; Barnes, EJ; Belov, VA; Bewick, A.; et al. (2010). "Límites de la materia oscura inelástica a partir de ZEPLIN-III". Physics Letters B . 692 (3): 180– 183. arXiv : 1003.5626 . Bibcode : 2010PhLB..692..180A . doi : 10.1016/j.physletb.2010.07.042 . ISSN 0370-2693 . S2CID 67836272 .   
  • Proyecto ZEPLIN-III
  • Laboratorio subterráneo de Boulby
  • Colaboración británica sobre materia oscura archivada el 4 de febrero de 2012 en Wayback Machine.

54°33′12″N 0°49′28″W / 54.5534°N 0.8245°W / 54.5534; -0.8245

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