Beyond the WIMP:Unikke krystaller kunne udvide søgen efter mørkt stof

Et nyt partikeldetektordesign foreslået ved det amerikanske energiministeriums Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) kunne i høj grad udvide søgningen efter mørkt stof - som udgør 85 procent af universets samlede masse, men vi ved ikke, hvad det er lavet af. af - ind i et uudforsket rige.

Mens flere store fysikeksperimenter har været rettet mod teoretiserede mørkt stofpartikler kaldet WIMP'er, eller svagt interagerende massive partikler, det nye detektordesign kunne scanne for mørkt stof-signaler ved energier tusindvis af gange lavere end dem, der kan måles af mere konventionelle WIMP-detektorer.

Den ultrafølsomme detektorteknologi inkorporerer krystaller af galliumarsenid, der også inkluderer elementerne silicium og bor. Denne kombination af elementer får krystallerne til at blinke, eller tænde, i partikelinteraktioner, der slår elektroner væk.

Denne scintillationsegenskab af galliumarsenid har stort set været uudforsket, sagde Stephen Derenzo, en seniorfysiker i Molecular Biophysics and Integrated Bioimaging Division ved Berkeley Lab og hovedforfatter af en undersøgelse offentliggjort 20. marts i Journal of Applied Physics der beskriver materialets egenskaber.

"Det er svært at forestille sig et bedre materiale til søgning i netop dette masseområde, Derenzo sagde, som måles i MeV, eller millioner af elektronvolt. "Det sætter kryds ved alle boksene. Vi er altid bekymrede for et 'Gotcha!' eller showstopper. Men jeg har forsøgt at tænke på en måde, hvorpå dette detektormateriale kan fejle, og det kan jeg ikke."

Gennembruddet kom fra Edith Bourret, en senior videnskabsmand i Berkeley Labs Materials Sciences Division, som årtier tidligere havde forsket i galliumarsenids potentielle anvendelse i kredsløb. Hun gav ham en prøve af galliumarsenid fra dette tidligere arbejde, der indeholdt ekstra koncentrationer, eller "dopanter, " af silicium og bor.

Derenzo havde tidligere målt en vis mangelfuld ydeevne i en prøve af kommerciel kvalitet galliumarsenid. Men prøven, som Bourret gav ham, udviste en scintillationslysstyrke, der var fem gange lysere end i det kommercielle materiale, på grund af tilføjede koncentrationer, eller "dopanter, " af silicium og bor, der gennemsyrede materialet med nye og forbedrede egenskaber. Denne forbedrede scintillation betød, at det var langt mere følsomt over for elektroniske excitationer.

"Hvis hun ikke havde givet mig denne prøve fra mere end 20 år siden, Jeg tror ikke, jeg ville have forfulgt det, " sagde Derenzo. "Når dette materiale er dopet med silicium og bor, dette viser sig at være meget vigtigt, og ved en fejltagelse, et meget godt valg af dopingmidler."

Derenzo bemærkede, at han har haft en langvarig interesse i scintillatorer, der også er halvledere, da denne klasse af materialer kan producere ultrahurtig scintillation, der er nyttig til medicinsk billeddannelsesapplikationer såsom PET (positron emission tomografi) og CT (computertomografi) scanninger, for eksempel, samt til højenergifysiske eksperimenter og strålingsdetektion.

De dopede galliumarsenidkrystaller, han undersøgte, ser ud til at være velegnede til højfølsomme partikeldetektorer, fordi ekstremt rene krystaller kan dyrkes kommercielt i store størrelser, krystallerne udviser en høj lysstyrke som reaktion på elektroner, der er støvet væk fra atomer i krystallernes atomstruktur, og de ser ikke ud til at være hindret af typiske uønskede effekter såsom signalefterglød og mørkestrømssignaler.

Nogle af de større WIMP-jagtdetektorer - såsom den fra Berkeley Lab-ledede LUX-ZEPLIN-projektet, der nu er under opførelse i South Dakota, og dens forgænger, LUX eksperimentet - inkorporer en væskescintillationsdetektor. En stor tank med flydende xenon er omgivet af sensorer til at måle lys og elektriske signaler, der forventes fra en mørk stofpartikels interaktion med kernen af ​​et xenonatom. Den type interaktion er kendt som et nuklear rekyl.

I modsætning, den krystalbaserede galliumarseniddetektor er designet til at være følsom over for de mindre energier, der er forbundet med elektronrekyler - elektroner, der udstødes fra atomer ved deres interaktion med partikler af mørkt stof. Som med LUX og LUX-ZEPLIN, galliumarseniddetektoren skulle placeres dybt under jorden for at beskytte den mod det typiske bad af partikler, der regner ned på Jorden.

Det ville også skulle kobles til lyssensorer, der kunne detektere de meget få infrarøde fotoner (lyspartikler), der forventes fra en interaktion med mørkt stof med lav masse, og detektoren skal nedkøles til kryogene temperaturer. Silicium- og bordoteringsmidlerne kunne muligvis også optimeres for at forbedre detektorernes overordnede følsomhed og ydeevne.

Fordi mørkt stofs makeup stadig er et mysterium - det kan være sammensat af en eller mange partikler med forskellige masser, for eksempel, eller måske ikke er sammensat af partikler overhovedet - Derenzo bemærkede, at galliumarseniddetektorer kun giver ét vindue ind til mørke stofpartiklers mulige skjulesteder.

Mens WIMP'er oprindeligt blev antaget at bebo et masseområde målt i milliarder af elektronvolt, eller GeV, galliumarseniddetektorteknologien er velegnet til at detektere partikler i masseområdet målt i millioner af elektronvolt, eller MeV.

Berkeley Lab-fysikere foreslår også andre typer detektorer for at udvide søgningen efter mørkt stof, herunder et setup, der bruger en eksotisk tilstand af afkølet helium kendt som superfluid helium til direkte at detektere såkaldte "light dark matter" partikler i masseområdet tusindvis af elektronvolt (keV).

"Superfluid helium er videnskabeligt komplementært til galliumarsenid, da helium er mere følsomt over for mørkt stofs interaktioner med atomkerner, mens galliumarsenid er følsomt over for mørkt stof, der interagerer med elektroner, " sagde Dan McKinsey, en seniorforsker fra fakultetet ved Berkeley Lab og fysikprofessor ved UC Berkeley, som er en del af LZ Collaboration og udfører F&U om påvisning af mørkt stof ved hjælp af superfluid helium.

"Vi ved ikke, om mørkt stof interagerer stærkere med kerner eller elektroner - dette afhænger af det mørke stofs specifikke natur, hvilket er hidtil ukendt."

En anden indsats ville anvende galliumarsenidkrystaller i en anden tilgang til søgning efter lyst mørkt stof baseret på vibrationer i krystallernes atomare struktur, kendt som optiske fononer. Denne opsætning kunne målrette mod "lyse mørke fotoner, " som er teoretiserede lavmassepartikler, der ville tjene som bærer af en kraft mellem mørkt stofpartikler - analogt med den konventionelle foton, der bærer den elektromagnetiske kraft.

Endnu et næste-gen eksperiment, kendt som Super Cryogenic Dark Matter Search-eksperimentet, eller SuperCDMS SNOLAB, vil bruge silicium- og germaniumkrystaller til at jage efter WIMP'er med lav masse.

"Dette ville være komplementære eksperimenter, " Derenzo sagde om de mange tilgange. "Vi er nødt til at se på alle de mulige masseområder. Du ønsker ikke at blive snydt. Du kan ikke udelukke et masseområde, hvis du ikke kigger der."