Jagten på lys mørkt stof

Teknologi, der for 30 år siden blev foreslået at søge efter mørkt stof, ser endelig lyset.

Forskere bruger innovative sensorer, kaldet skipper CCD'er (forkortelse for ladningskoblede enheder) i en ny type detekteringsprojekt for mørkt stof. Forskere vil bruge projektet, kendt som SENSEI, at finde de letteste partikler af mørkt stof, nogen nogensinde har ledt efter.

Mørkt stof - så navngivet, fordi det ikke absorberer, reflektere eller udsende lys - udgør 27 procent af universet, men juryen er stadig ude på, hvad den er lavet af. Den primære teoretiske mistanke om hovedkomponenten i mørkt stof er en partikel forskere beskrivende har navngivet den svagt interaktive massive partikel, eller WIMP.

Men da ingen af ​​disse tunge partikler, som forventes at have en masse 100 gange massen af ​​en proton, har vist sig i forsøg, det kan være på tide, at forskere tænker småt.

"Der er en stigende interesse for at lede efter forskellige former for mørkt stof, der er tilsætningsstoffer til standard WIMP -modellen, "sagde Fermilab -videnskabsmanden Javier Tiffenberg, en leder af SENSEI -samarbejdet. "Letvægts, eller lav masse, mørkt stof er en meget overbevisende mulighed, og for første gang, teknologien er til for at udforske disse kandidater. "

Lavmasse mørkt stof ville efterlade en lille, svær at se signatur, når den kolliderer med materiale inde i en detektor. At fange disse undvigende partikler kræver en mester-detekterende mester:SENSEI.

Fornemmer det usynlige

I traditionelle mørke stofforsøg, forskere leder efter en energioverførsel, der ville opstå, hvis partikler af mørkt stof kolliderede med en almindelig kerne, men SENSEI er anderledes. Det leder efter direkte interaktioner mellem mørke stofpartikler, der kolliderer med elektroner.

"Det er en stor forskel - du får meget mere energi overført i dette tilfælde, fordi en elektron er så let i forhold til en kerne, "Sagde Tiffenberg.

Hvis mørkt stof har lav masse - meget mindre end WIMP -modellen antyder - så ville det være mange gange lettere end en atomkerne. Så hvis det skulle kollidere med en kerne, den resulterende energioverførsel ville være alt for lille, fortæl os noget. Det ville være som at kaste en bordtennisbold mod en kampesten:den tunge genstand går ingen steder, og der ville ikke være tegn på, at de to var kommet i kontakt.

En elektron er ikke nær så tung som en atomkerne. Faktisk, en enkelt proton har omkring 1, 836 gange mere masse end en elektron. Så kollisionen af ​​en lavmassepartikel med mørkt stof med en elektron har en meget bedre chance for at efterlade et mærke-mere bowlingbold end kernens kampesten.

Ikke desto mindre, elektronen er stadig en bowlingbold sammenlignet med partiklen med lav masse i mørkt stof. En energioverførsel mellem de to ville kun efterlade et glimt af energi, en enten for lille til at de fleste detektorer kan opfange eller let overskygges af støj i dataene. Der er en lille udveksling af energi, men, hvis detektoren ikke er følsom nok, det kan se ud som om der ikke sker noget.

"Bowlingbolden vil bevæge sig en meget lille mængde, "sagde Fermilab -videnskabsmanden Juan Estrada, en SENSEI -samarbejdspartner. "Du har brug for en meget præcis detektor for at se denne interaktion mellem lette partikler og noget, der er meget tungere."

Det er her SENSEIs følsomme skipper CCD'er kommer ind:De vil opfange den lille overførsel af energi.

CCD'er er blevet brugt til andre eksperimenter til detektering af mørkt stof, såsom Dark Matter in CCDs (eller DAMIC) -eksperimentet, der opererer hos SNOLAB i Canada. Disse CCD'er var et spin -off fra sensorer udviklet til brug i Dark Energy Camera i Chile og andre mørke energisøgeprojekter.

CCD'er er typisk lavet af silicium opdelt i pixels. Når en partikel af mørkt stof passerer gennem CCD'en, det kolliderer med siliciums elektroner, slipper dem fri, efterlader en netto elektrisk ladning i hver pixel, som partiklen passerer igennem. Elektronerne flyder derefter gennem tilstødende pixels og læses i sidste ende som en strøm i en enhed, der måler antallet af elektroner frigivet fra hver CCD -pixel. Denne måling fortæller forskere om partikelens masse og energi - i dette tilfælde partiklen i det mørke stof - der fik kædereaktionen i gang. En massiv partikel, som en WIMP, ville frigøre en skive af elektroner, men en partikel med lav masse kan kun frigøre en eller to.

Typiske CCD'er kan kun måle den ladning, der efterlades, én gang, hvilket gør det svært at afgøre, om et lille energisignal fra en eller to elektroner er reelt eller en fejl.

Skipper CCD'er er en ny generation af teknologien, der hjælper med at eliminere "iffiness" af en måling, der har en en- eller to-elektroners fejlmargin. Det giver mulighed for meget højere præcision takket være et unikt design.

"I fortiden, detektorer kunne måle ladningsmængden af ​​den energi, der deponeres i hver pixel, kun én gang, "Tiffenberg sagde." Det store skridt fremad for skipper CCD er, at vi er i stand til at måle denne afgift så mange gange vi vil. "

Den ladning, der efterlades i skipper CCD ved mørkt stof, der banker elektroner fri, kan samples flere gange og derefter beregnes i gennemsnit, en metode, der giver en mere præcis måling af ladningen afsat i hver pixel end måle-en-og-udført teknik. Det er statistikreglen:Med flere data, du kommer tættere på en ejendoms sande værdi.

SENSEI -forskere drager fordel af skipper CCD -arkitekturen, måling af antallet af elektroner i en enkelt pixel a hele 4, 000 gange og derefter beregne dem i gennemsnit. Det minimerer målingens fejl - eller støj - og tydeliggør signalet.

"Det er en simpel idé, men det tog os 30 år at få det til at fungere, "Sagde Estrada.

Fra idé, til virkeligheden, til hinsides

En lille SENSEI -prototype kører i øjeblikket på Fermilab i en detektorsal 385 fod under jorden, og det har vist, at dette detektordesign vil fungere i jagten på mørkt stof.

Efter et par årtier, der kun eksisterede som en idé, skipper CCD -teknologi og SENSEI blev levendegjort af Laboratory Directed Research and Development (LDRD) midler på Fermilab og Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab). Fermilab LDRD'erne blev først tildelt for nylig - for mindre end to år siden - men tæt samarbejde mellem de to laboratorier har allerede givet SENSEI lovende design, delvis takket være Berkeley labs tidligere arbejde med skipper CCD -design.

Fermilab LDRD -midler giver forskere mulighed for at teste sensorerne og udvikle detektorer baseret på videnskaben, og Berkeley Lab LDRD -midler understøtter sensordesignet, som oprindeligt blev foreslået af Berkeley Lab -videnskabsmanden Steve Holland.

"Det er kombinationen af ​​de to LDRD'er, der virkelig gør SENSEI muligt, "Sagde Estrada.

LDRD -programmer har til formål at yde finansiering til udvikling af nye, banebrydende ideer til videnskabelig opdagelse, og SENSEI -teknologien passer bestemt til regningen - også ud over dens søgen efter mørkt stof.

Fremtidig SENSEI-forskning vil også få et løft takket være en nylig bevilling fra Heising-Simons Foundation.

"SENSEI er meget sejt, men hvad der virkelig er imponerende er, at skipper CCD vil tillade SENSEI -videnskaben og en masse andre applikationer, "Sagde Estrada." Astronomiske undersøgelser er begrænset af følsomheden af ​​deres eksperimentelle målinger, og at have sensorer uden støj svarer til at gøre dit teleskop større - mere følsomt. "

SENSEI -teknologi kan også være kritisk i jagten på en fjerde type neutrino, kaldet den sterile neutrino, som synes at være endnu mere genert end sine tre notorisk undvigende neutrino -familiemedlemmer.

En større SENSEI -detektor udstyret med flere skipper -CCD'er vil blive indsat inden for året. Det er muligt, at det muligvis ikke opdager noget, sende forskere tilbage til tegnebrættet i jagten på mørkt stof. Eller SENSEI kan endelig komme i kontakt med mørkt stof-og det ville være SENSEITIONELT.