Forskere præsenterer nye begrænsninger til direkte detektering af Sub-GeV mørkt stof

I en nylig undersøgelse, et team af forskere har præsenteret nye direkte detekteringsbegrænsninger for eV-til-GeV mørkt stof, der interagerer med elektroner, ved hjælp af en ny prototypedetektor udviklet som en del af projektet SELSEI (Sub-Electron-Noise Skipper-CCD Experimental Instrument). SENSEI -samarbejdet består af forskere fra flere institutioner, herunder Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab), Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), Stony Brook University, Tel Aviv University og University of Oregon.

"SENSEIs mål er at søge efter mørkt stof i masseområdet 1 eV til 1 GeV, dvs. mange størrelsesordener i masse under protonen, "Rouven Essig, en af ​​forskerne, der gennemførte undersøgelsen, og et fakultetsmedlem ved Stony Brook University, fortalte Phys.org. "Dette kan gøres ved at søge efter interaktioner med mørkt stof med elektroner. Dog kan at udføre en sådan søgning kræver ultrafølsomme detektorer, siden når mørkt stof spreder en elektron, den producerer kun en lille mængde ladning i en detektor. SENSEI bruger Charge Coupled Devices (CCD'er), der har en ultra-lav aflæsningsstøj, såkaldte Skipper-CCD'er. "

Skipper-CCD'erne, der blev brugt af SENSEI, blev udviklet som en del af et F &U-samarbejde mellem Fermilab og Berkeley Lab. I tidligere undersøgelser, aflæsningsstøjen var en begrænsende faktor, da det begrænsede nøjagtigheden, hvormed ladningen i CCD'erne kunne måles. Brugen af ​​nye sensorer gør det nu muligt for forskere at nå en præcis måling af denne ladning, hvilket igen muliggør en søgning efter interaktioner med mørkt stof med elektroner på hidtil usete niveauer.

I deres undersøgelse, SENSEI Collaboration indsamlede data i MINOS Hall, en 120 fod lang hule placeret 350 fod under overfladen af ​​Fermilab-campus. MINOS hulen indeholder en mindre version af MINOS detektoren i Soudan, som bruges til at måle egenskaberne af neutrinoer.

"Vi tog flere sæt data med en lille, 0,1 gram, prototype Skipper-CCD på det underjordiske MINOS-anlæg på Fermilab, "forklarede Juan Estrada, en videnskabsmand ved Fermilab, der var involveret i undersøgelsen. "Denne prototype blev pakket og afskærmet i et kobberkar."

Forskerne gennemførte en række eksperimenter. For det første, de læste Skipper CCD op og akkumulerede kontinuerligt en eksponering på 0,177 g/dag. Selvom de ikke observerede hændelser, der involverede tre eller flere elektroner, de fandt en stor en- og to- elektron baggrundshændelsesrate. De tilskriver dette fund til falske hændelser forårsaget af forstærkeren i Skipper-CCD-aflæsningstrinnet.

SENSEI -samarbejdet testede også en anden strategi, hvilket indebar at tage fem sæt data, mens alle forstærkere blev slukket og eksponerede Skipper CCD for 120 ks. Efterfølgende, forskerne læste dataene op via den bedste prototypeforstærker, der er tilgængelig for dem. I dette tilfælde, de observerede en hændelse på én elektron, der var næsten 2 størrelsesordener lavere end hændelseshastigheden, der blev observeret i deres kontinuerlige aflæsningsforsøg. Endnu engang, de observerede ingen begivenheder indeholdende tre eller flere elektroner, for en eksponering på 0,069 g/dag.

"Vores data var i stand til at sætte nye begrænsninger for mørkt stof, herunder de bedste begrænsninger for spredning af mørkt stof af elektroner for masser i området 500 keV til 5 MeV, "sagde Tien-Tien Yu, et fakultetsmedlem ved University of Oregon, der gennemførte undersøgelsen. "Disse data blev taget med en prototypedetektor. Et af vores hovedmål var at forbedre vores forståelse af detektorens adfærd, så vi er klar til at indsamle data med forbedrede sensorer i fremtiden."

SENSEI-samarbejdet brugte de data, der blev indsamlet i deres undersøgelse, til at udlede verdensledende begrænsninger for spredning af mørkt stof-elektron (for masser mellem 500keV og 5MeV), såvel som på mørk-foton mørkt stof, der absorberes af elektroner (for en masseområder under 12,4 eV). Disse resultater kunne forbedre deres forståelse af detektorer og i sidste ende informere dataindsamling ved hjælp af mere avancerede sensorer.

"Vi køber nu nye, forbedrede Skipper-CCD'er, hvormed vi vil bygge en meget større detektor, "sagde Javier Tiffenberg, en videnskabsmand ved Fermilab, der var involveret i undersøgelsen. "Efter at have testet de nye sensorer, vi vil tage nye data på Fermilab såvel som hos SNOLAB (Canada) for at søge efter mørkt stof. "

I øjeblikket, SENSEI-samarbejdet skaffer cirka 100 g nye Skipper-CCD’er og tilpasset elektronik til et forsøg på SNOLAB, som skal installeres senere på året. Ifølge forskernes forudsigelser, disse sensorer bør væsentligt overgå nuværende sensorer, med en forbedret støjydelse og en lavere mørketællingshastighed.

Tomer Volansky, et fakultetsmedlem ved Tel Aviv University, der er en del af SENSEI -samarbejdet, udtalte:"Den resulterende søgning vil undersøge størrelsesordener af nyt parameterrum for mørkt stof. Vi er meget spændte på, hvad der venter."

© 2019 Science X Network