Fysikere bidrager til detektorsucces for mørkt stof

I forskernes søgen efter beviser for mørkt stof, fysiker Andrea Pocar fra University of Massachusetts Amherst og hans studerende har spillet en vigtig rolle i at designe og bygge en nøgledel af den argon-baserede DarkSide-50-detektor placeret under jorden i Italiens Gran Sasso National Laboratory.

Denne uge, videnskabsmænd fra hele verden, der var samlet på University of California, Los Angeles, på Dark Matter 2018 Symposium lærte om nye resultater i søgen efter beviser for det undvigende materiale i Weakly Interacting Massive Particles (WIMP'er) af DarkSide-50-detektoren. WIMP'er har været kandidatpartikler af mørkt stof i årtier, men ingen er fundet til dato.

Pocar siger, at DarkSide-detektoren har demonstreret det store potentiale af flydende argon-teknologi i søgningen efter såkaldte "heavy WIMPs", "dem med masse på omkring 100 til 10, 000 gange massen af ​​en proton. Yderligere, tilføjer han, den dobbeltfasede argon-teknik, der bruges af DarkSide-50-detektoren, har uventet kraft i søgningen efter "low-masse WIMP'er, " med kun 1-10 gange massen af ​​en proton.

Han tilføjer, "Den komponent vi lavede hos UMass Amherst, med meget dedikerede bachelorer involveret fra begyndelsen, fungerer meget godt. Det er spændende i denne uge at se den første rapport om vores succes komme ud på symposiet." Hans kandidatstuderende Alissa Monte, som har studeret overflade- og radon-relaterede baggrunde ved hjælp af DarkSide-50, vil præsentere en plakat på UCLA-mødet.

Pocar siger, "Der er et levende samfund af forskere rundt om i verden, der udfører konkurrerende eksperimenter i dette 'lav masse' WIMP-område. I løbet af de sidste to år har vi indsamlet data til en måling, vi ikke forventede at kunne foretage. På dette tidspunkt er vi i et spil, vi ikke troede, vi kunne være med i. Vi rapporterer om den høje følsomhed, vi har opnået med instrumentet, som præsterer bedre end forventet." Sensitivitet refererer til instrumentets evne til at skelne mellem mørkt stof og baggrundsstråling.

Mørkt stof, Pocar forklarer, repræsenterer omkring 25 procent af universets energiindhold, og mens det har masse, der kan udledes af gravitationseffekter, fysikere har meget svært ved at opdage og identificere det, fordi det næsten ikke interagerer, hvis overhovedet, med "regulært" stof gennem andre kræfter. "Mørkt stof ser ikke ud til at ville interagere meget med den sag, vi kender til, " konstaterer fysikeren.

DarkSide-50-detektoren bruger 50 kg (ca. 110 lbs.) flydende argon i et kar, med en lille lomme med argongas øverst, Pocar forklarer, som et mål for at opdage WIMP'er. Forskerne håber på en WIMP at ramme kernen af ​​et argon atom i tanken, som så kan detekteres ved ioniseringen produceret af det nukleare rekyl i det omgivende argonmedium. Noget af ioniseringssignalet, proportional med energien aflejret inde i detektoren, opsamles ved at påføre et elektrisk felt på målet, forklarer han.

Et lysglimt produceres også i argon med ionisering, siger Pocar. Til begivenheder med høj nok energi, lysimpulsen er lys nok til at blive brugt til at se forskellen i "signatur" mellem en nuklear rekyl som den, der induceres af en WIMP, og elektronrekyl induceret af baggrunds- eller miljømæssig radioaktivitet.

Pocars laboratorium designet, lavet og installeret en af ​​elektroderne, der påfører det elektriske felt. Han siger, "For WIMP'er med lav masse, mængden af ​​energi, der overføres til argonkernen af ​​en WIMP, er utrolig lille. Det er som at slå en billardbold med en langsom ping-pongbold. Men en vigtig ting for os er, at nu med to års data, vi har en udsøgt forståelse af vores detektor, og vi forstår alle ikke-WIMP begivenheder meget godt. Når du først forstår din detektor, du kan anvende al den forståelse i søgetilstand, og planlægge opfølgende eksperimenter."

Cristiano Galbiati, talsmand for DarkSide-projektet, sagde på denne uges symposium, "Dette er den bedste måde at starte eventyret med det fremtidige eksperiment DarkSide-20k. Resultaterne af DarkSide-50 giver stor tillid til vores teknologiske valg og til evnen til at udføre et overbevisende opdagelsesprogram for mørkt stof. Hvis en detektorteknologi nogensinde vil identificere begivenheder induceret af mørkt stof på overbevisende vis, dette bliver det."