Studiet sætter de første germanium-baserede begrænsninger på mørkt stof

Kosmologiske observationer og målinger indsamlet i fortiden tyder på, at almindeligt stof, som inkluderer stjerner, galakser, menneskekroppen og utallige andre objekter/levende organismer, udgør kun 20% af universets samlede masse. Den resterende masse er blevet teoretiseret til at bestå af såkaldt mørkt stof, en type stof, der ikke absorberer, reflekterer eller udsender lys og kan således kun indirekte observeres gennem gravitationspåvirkninger på dets omgivende miljø.

Mens den nøjagtige natur af denne undvigende type stof stadig er ukendt, i de seneste årtier, fysikere har identificeret mange partikler, der rækker ud over standardmodellen (teorien, der beskriver nogle af de vigtigste fysiske kræfter i universet), og som kunne være gode kandidater til mørkt stof. De forsøgte derefter at detektere disse partikler ved hjælp af to hovedtyper af avancerede partikeldetektorer:halvledende detektorer i gramskala (normalt lavet af silicium og brugt til at søge efter mørkt stof med lav masse) og gasdetektorer i tonskala (som har højere energidetektionstærskler). og er bedre egnet til at udføre søgninger efter mørkt stof med høj masse).

EDELWEISS-samarbejdet, en stor gruppe forskere, der arbejder på Université Lyon 1, Université Paris-Saclay og andre institutter i Europa, for nylig udførte den første søgning efter Sub-MeV mørkt stof ved hjælp af en germanium(Ge)-baseret detektor. Mens holdet ikke var i stand til at opdage mørkt stof, de satte en række begrænsninger, som kunne være grundlaget for fremtidige undersøgelser.

"EDELWEISS er et direkte mørkt stof-søgningseksperiment. Som sådan, vores primære mål er at opdage mørkt stof for at bringe et uigendriveligt bevis på dets eksistens, "Quentin Arnaud, en af ​​de forskere, der har udført undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Stadig, fraværet af detektion er et vigtigt resultat i sig selv, fordi dette giver os mulighed for at teste og sætte begrænsninger på eksisterende mørkt stof-partikelmodeller."

Der er to hovedårsager til, at mørkt stof partikler hidtil har unddraget sig påvisning. Først, sandsynligheden for, at disse partikler vil interagere med almindeligt stof, såsom den inde i konventionelle partikeldetektorer, er ekstremt lille.

Sekund, signalet, som forskerne forventer ville opstå fra en mørk stofpartikel, der rammer detektoren, er flere størrelsesordener lavere end de signaler, der produceres af naturlig radioaktivitet. Detektering af disse signaler vil således kræve meget lange detektoreksponeringstider og brug af instrumenter, der er lavet af radiorene materialer, men som også er tilstrækkeligt afskærmet og betjenes dybt under jorden, da dette forhindrer dem i at opfange omgivende radioaktivitet og kosmiske stråler.

"Til sidst (på trods af alle vores anstrengelser), der vil altid være en tilbageværende baggrund, som vi skal være i stand til at diskriminere imod, " forklarede Arnaud. "Derfor, vi udvikler detektorteknologier med evnen til at bestemme, om de signaler, vi registrerer, er induceret af en mørk stofpartikel eller stammer fra den radioaktive baggrund."

Arnaud og hans kolleger var de første til at søge efter sub-MeV mørkt stof ved hjælp af en 33,4 g germanium kryogen detektor i stedet for en siliciumbaseret partikeldetektor. De søgte specifikt efter mørkt stof partikler, der ville interagere med elektroner. Detektoren de brugte blev betjent under jorden på Laboratoire Souterrain de Modane, i Frankrig.

"Den energi, der deponeres i vores detektor efter en interaktion med mørkt stof partikel, forventes at være ekstremt lille ( <1 keV), " sagde Arnaud. "Når man søger efter partikler af lyse mørkt stof (sub-MeV-masser), det er endnu værre:Den afsatte energi kan være så lille som nogle få eV, energiaflejringer så små, at kun nogle få avancerede detektorteknologier kan være følsomme over for dem."

Detektoren, der bruges af EDELWEISS-samarbejdet, består i det væsentlige af en germanium-cylindrisk krystal, der er kølet ned til kryogen temperatur (18 mK eller -273, 13 C°), med aluminiumselektroder på hver side af krystallen, hvorpå holdet anvendte en højspændingsforskel. Kollisioner mellem partikler og kerne/atomer inde i krystallen fører til produktion af elektron-hul-par, som inducerer et lille ladningssignal (dvs. strøm), når de driver mod opsamlingselektroder.

Ud over, en partikels kollision med krystalgitteret inducerer en lille temperaturstigning (dvs. under 1 mikro-Kelvin). Denne ændring i temperatur kan måles ved hjælp af en meget følsom termisk sensor kendt som en neutrontransmutation doped (NTD) sensor. Da de energiaflejringer, der teoretisk skulle opstå fra sub-MeV mørkt stofpartikler, er utroligt små (dvs. i eV-skalaen), imidlertid, det tilhørende ladesignal ville være for lille til at kunne måles, og temperaturstigningen for lille til at blive målt af en NTD-sensor.

"For at løse dette problem, vores detektor udnytter det, der kaldes Neganov-Trofimov-Luke (NTL)-effekten (som til en vis grad ligner Joule-effekten):I kryogene halvlederdetektorer, driften af ​​N elektron-hul-par over en spændingsforskel producerer yderligere varme, hvis energi summerer til den oprindelige aflejrede, " sagde Arnaud. "Denne Neganov-Trofimov-Luke (NTL) effekt gør i det væsentlige et kryogent kalorimeter (drevet ved ΔV=0V) til en ladningsforstærker. En lille energiaflejring ender med at give anledning til en høj (målbar) temperaturstigning, og han øger spændingen, jo højere forstærkningsforstærkning."

Arnaud og hans kolleger sætter nye begrænsninger for den kinetiske blanding af mørke fotoner. Samlet set, De indsamlede resultater viser den høje relevans og værdi af kryogene germaniumdetektorer i den igangværende søgen efter mørkt stof-interaktioner, der producerer elektronsignaler i eV-skala.

EDELWEISS-samarbejdet udvikler nu et sæt mere kraftfulde detektorer kaldet SELENDIS (Single ELEctron Nuclear Recoil DIScrimination). Den vigtigste egenskab ved disse nye detektorer er en innovativ diskriminationsteknik, der vil give holdet mulighed for at skelne mellem nukleare og elektroniske rekyler ned til et enkelt elektron-hul-par med den eneste måling af varmesignaler i stedet for at kræve samtidig måling af to observerbare ( f.eks, , varme/ionisering, ionisering/scintillation eller varme/scintillation), som det er tilfældet med tidligere foreslåede diskriminationsteknikker.

"Ingen eksisterende detektorteknologier kan kombinere enkeltelektrondetektionsfølsomhed og diskriminationsevner, " sagde Arnaud. "Direkte detektionseksperimenter optimeret til søgninger af mørkt stof med høj masse er meget gode til at skelne signalet fra baggrunden, men har relativt høje energidetekteringstærskler. Søgeeksperimenter med lav masse af mørkt stof - inklusive EDELWEISS - har hidtil usete lavenergidetekteringstærskler, men kan ikke skelne signalet fra baggrunden. med SELEDIS, vores mål er at kombinere de to ved at udvikle den første detektor, der kombinerer følsomhed for et enkelt elektronhulspar og baggrundsdiskrimination."

© 2020 Science X Network