SENSEI bliver stille:Forskere demonstrerer partikeldetektor for mørkt stof

Hvad giver en god mørkstofdetektor? Det har meget til fælles med et godt telekonferenceopsætning:Du har brug for en følsom mikrofon og et stille rum.

Forskere, der arbejder på SENSEI-eksperimentet ved Department of Energy's Fermilab, har nu for første gang demonstreret en partikeldetektor - baseret på ladningskoblet enhed, eller CCD, teknologi - med både den følsomhed og reducerede baggrundshastigheder, der er nødvendige for en effektiv søgning efter partikler med lav masse af mørkt stof, det mystiske stof, der tegner sig for omkring 80 procent af alt stof i universet.

Demonstrationen er vigtig på to måder. Først, baggrundshastighederne målt af SENSEI-detektoren er rekordlave for en siliciumdetektor. De sætter verdens stærkeste grænser for mørkt stofs interaktioner med elektroner, på tværs af en bred vifte af modeller. Sekund, det viser den høje kvalitet af de detektorer, der vil blive brugt i fuldskala SENSEI-eksperimentet under opbygning. SENSEI vil køre på det canadiske SNOLAB dybt underjordiske laboratorium.

SENSEI-detektoren er en 5,4-megapixel CCD lavet af 2 gram silicium, der i øjeblikket opererer omkring 100 meter under jorden ved Fermilab. Hvis en mørk stofpartikel kolliderer med en af ​​elektronerne i siliciumet, energien, der overføres til elektronen, kan være nok til at frigøre den fra siliciumets krystalstruktur. Hvis der er energi nok, yderligere elektroner vil blive frigivet. Denne afgift er det signal, SENSEI -forskere leder efter. Jo mindre signal SENSEI kan registrere, jo bredere rækkevidde af mørkt stof-modeller kan den teste.

For at observere små mørkt stof-signaler, det første, videnskabsmænd har brug for, er en følsom detektor. Med andre ord, de skal være i stand til at detektere et lille signal og konsekvent skelne det fra en virkelig tom detektor. Som vist i tidligere arbejde, SENSEI's skipper-CCD'er, designet af Lawrence Berkeley National Laboratory, kan tælle det nøjagtige antal elektroner i hver pixel.

Sekund, videnskabsmænd har brug for lav baggrund - hastigheden af ​​signallignende hændelser fra andre årsager end mørkt stof skal være lille. En følsom detektor med høj baggrund er som en studiemikrofon i et støjende rum. Selvom mikrofonen kan opfange en hvisken, din bløde stemme kan blive overdøvet af støjen fra vaskemaskinen i baggrunden. Den eneste måde at forbedre optagelsen på er at fjerne støjen fra vaskemaskinen.

SENSEI-samarbejdet har nu for første gang vist, at det har en detektor for følsomt mørkt stof og kan reducere baggrundshastigheden. Det er vigtigt at demonstrere, at en detektor kan opnå lave baggrundshastigheder, før du skalerer op til et større eksperiment med den samme teknologi, for ellers skal du bare opskalere din baggrundsrate. Tidligere mørkt stof-søgninger af SENSEI brugte prototype CCD'er, som havde høj følsomhed, men også høje baggrunde, fordi de ikke var lavet med silicium af højeste kvalitet.

SENSEIs nye søgning efter mørkt stof har givet det første resultat fra dets nye CCD'er af naturvidenskab, som blev fremstillet i et dedikeret produktionsforløb for SENSEI med silicium af høj kvalitet. Samarbejdet reducerede også mængden af ​​stråling, der rammer CCD'en, ved at tilføje ekstra afskærmning omkring eksperimentet. Resultatet var et fald i baggrundsbegivenhedsrater sammenlignet med den tidligere søgning med en prototype CCD. Hyppigheden af ​​enkeltelektronhændelser faldt fra 33, 000 til 450 hændelser/gram-dag, og vi ser færre to-elektronhændelser (fem, ned fra 21) i en meget større eksponering (2,09 gram-dage, op fra 0,043). Vi ser heller ingen tre- eller fire-elektronhændelser - ligesom i den forrige søgning, men med en større eksponering.

CCD'erne i naturvidenskabelig kvalitet fungerer så godt, som man kunne have håbet, og SENSEI forventer, at baggrundsraterne vil være endnu lavere hos SNOLAB.