Скачать презентацию Низкофоновые детекторы в актуальных задачах физики частиц 8 Скачать презентацию Низкофоновые детекторы в актуальных задачах физики частиц 8

detectors-89.ppt

  • Количество слайдов: 69

Низкофоновые детекторы в актуальных задачах физики частиц 8 -9 Низкофоновые детекторы в актуальных задачах физики частиц 8 -9

Тема 6 n Темная материя (ТМ) n n Как мы дошли до такой жизни? Тема 6 n Темная материя (ТМ) n n Как мы дошли до такой жизни? ТМ или альтернативные теории гравитации? n n Кандидаты в ТМ Детектор DAMA в лаборатории Гран-Сассо – наблюдение годовых вариаций сигнала от WIMP? Криогенный детектор Cresst-II n n n Теория MOND Особенности учета сцинтилляционного дефекта при идентификации типа частицы Источники фона и их разделение Двухфазные детекторы n XENON 100

Per aspera ad astrum… Per aspera ad astrum…

Как мы дошли до такой жизни? n Экспериментальные указания на возможное существование темной материи Как мы дошли до такой жизни? n Экспериментальные указания на возможное существование темной материи приходят из самых разных областей: n n n Проблема Цвикки Проблема вращения галактик Гравитационное линзирование Избыток гамма-излучения из центра галактики Bullet Cluster в созвездии Киля и др. ?

История проблемы n n Объяснение движения планет было впервые дано Ньютоном в 1687 г. История проблемы n n Объяснение движения планет было впервые дано Ньютоном в 1687 г. при помощи законов движения и закона всемирного тяготения Предположения о существовании некоего ненаблюдаемого объекта или материи высказывались во всех случаях, когда астрономические наблюдения космических тел приводили к видимому нарушению законов тяготения n n n Например, наблюдавшиеся аномалии орбиты Урана (открыт в 1781 г. ) заставили предположить существование неизвестной планеты, которая оказывала на нее гравитационное воздействие Этой планетой оказался открытый в 1846 г. Нептун Гравитационное влияние Нептуна на орбиту Урана – меньше 1%

Проблема Цвикки n Исторически самая ранняя по теме: n F. Zwicky, On the Masses Проблема Цвикки n Исторически самая ранняя по теме: n F. Zwicky, On the Masses of Nebulae and of Clusters of Nebulae, Astrophys. J. , 86, 217 (1937) n n n Наблюдения относительных скоростей галактик в скоплении Волос Вероники показали, что наблюдаемая масса скопления в 20 раз меньше массы, рассчитанной исходя из собственных скоростей галактик в этом скоплении Наблюдаемой массы недостаточно, чтобы удерживать галактики от «разлетания» . Гипотеза Цвикки: существует пронизывающая галактики ненаблюдаемая материя.

Исследования Веры Рубин n n n Изучала поведение вещества на периферии галактик с высокими Исследования Веры Рубин n n n Изучала поведение вещества на периферии галактик с высокими скоростями вращения. В. Рубин, К. Форд (1973 г. ): "Полной аналогии с планетарными системами в спиральной галактике Туманность Андромеды не существует. В соответствии с законами Кеплера, в планетарных системах и линейные и угловые скорости планет монотонно убывают по мере удаления от звезды, а в галактиках скорости вращательного движения звезд и звездной материи возрастают по мере удаления от центра, достигая стабильного максимума". Таким образом, это несоответствие может говорить о существовании пронизывающей галактики ненаблюдаемой «темной» материи (гипотеза Цвикки).

Ротационная кривая галактики Звезды Газ ТМ? (по теор. вириала) Ротационная кривая галактики Звезды Газ ТМ? (по теор. вириала)

Проблема гравитационного линзирования n Гравитационное линзирование галактиками объектов, расположенных за ними на линии наблюдения Проблема гравитационного линзирования n Гравитационное линзирование галактиками объектов, расположенных за ними на линии наблюдения – один из косвенных методов оценки массы галактик n n n Проявляется в искажении изображения фоновых объектов или появления их мнимых изображений Природа явления в искривлении направления движения светового луча вблизи гравитационных масс (предсказано в ОТО) Расчет гравитационного поля, необходимого для проявления таких эффектов, позволяет оценить массу линзирующей галактики n Расчетные значения масс значительно превосходят наблюдаемые.

Крест Эйнштейна – гравитационно линзированное изображение квазара, расположенного по оси зрения за галактикой ZW Крест Эйнштейна – гравитационно линзированное изображение квазара, расположенного по оси зрения за галактикой ZW 2237+030 в направлении созвездия Пегаса: квазар расположен в 8 млрд. , а линзирующая галактика в 400 млн. световых лет от Земли.

Избыток гамма-излучения из центра нашей галактики n n n Первые указания на существование избытка Избыток гамма-излучения из центра нашей галактики n n n Первые указания на существование избытка диффузных γквантов с энергиями ~10 Гэ. В по отношению к ожидаемому значению γ-фона были обнаружены спутником EGRET (запущен в 1992 г. ). Впоследствии, сверхжесткое гаммаизлучение из центра галактики наблюдалось многими спутниками, в т. ч. обсерваториями Fermi и Planck Крупные наземные гамма-телескопы (HESS, VERITAS и др. ) также регистрируют избыток γ-квантов Тэ. В-ных энергий в направлении на галактический центр Эти гамма-кванты могут быть результатом аннигиляции вимпов.

Bullet cluster n n Сталкивающиеся галактические кластеры в созвездии Киля. В результате столкновения происходит Bullet cluster n n Сталкивающиеся галактические кластеры в созвездии Киля. В результате столкновения происходит разделение ТМ и межзвездного газа n n К такому выводу удалось придти, исходя из профиля гравитационного линзирования в этом кластере На рисунке: n n n Голубой – предполагаемая ТМ Розовый – видимая материя Красный – горячий межзвездный газ, светящий в рентгене

Критика существования ТМ n Аномалии наблюдаются только в звездных системах, в которых достигаются чрезвычайно Критика существования ТМ n Аномалии наблюдаются только в звездных системах, в которых достигаются чрезвычайно малые ускорения a 0<1. 2· 10 -8 cм/c 2. n n Формализм ТМ основан на предположении применимости законов движения и гравитации Ньютона-Эйнштейна в изучаемых удаленных гравитационных объектах n n В солнечной системе таких ускорений нет Однако, в условиях очень малых ускорений силы тяжести, закон всемирного тяготения мог бы иметь другую форму (при значениях ускорения силы тяжести

MOND vs. ТМ MOND ТМ MOND vs. ТМ MOND ТМ

Существующие трудности с MOND n Фундаментальные n n Будучи полученной на базе классической Ньютоновской Существующие трудности с MOND n Фундаментальные n n Будучи полученной на базе классической Ньютоновской теории гравитации, MOND не совместима с ОТО Экспериментальные n n Не объясняет гравитационного линзирования Не все галактики одинаково хорошо описываются MOND n by Hubble telescope: Например, спиральная галактика NGS 2841 в созвездии Большой Медведицы: Fixed D in fit Free D in fit

Latest results with MOND n S. Mc. Gaugh, M. Milgrom, Andromeda dwarfs in light Latest results with MOND n S. Mc. Gaugh, M. Milgrom, Andromeda dwarfs in light of MOND, Ap. J 775 139 (published 16. 09. 2013) n Анализ 17 карликовых галактик-спутников Туманности Андромеды: n n n Произведен расчет в рамках MOND распределения скоростей в этих галактиках и их сравнение с имеющимися экспериментальными данными Для 16 галактик предсказания MOND оказались в согласии с данными Для 17 -й разнятся сами результаты измерений.

Классификация ТМ n По составу: n Барионная n n Небарионная n n n MACHO Классификация ТМ n По составу: n Барионная n n Небарионная n n n MACHO Нейтрино Суперсимметричные партнеры калибровочных бозонов: гравитино, фотино, зино, вино и т. д. По скорости: n Горячая – движущаяся с околосветовыми скоростями n n Нейтрино Стандартной модели Холодная – существенно нерелятивистская n n n WIMPs и Super. WIMPs Суперсимметричные партнеры калибровочных бозонов и т. д.

Нейтрино СМ n n После того как были обнаружены нейтринные осцилляции, стало понятно, что Нейтрино СМ n n После того как были обнаружены нейтринные осцилляции, стало понятно, что нейтрино должны вносить вклад в ТМ, поскольку имеют массы Тем не менее, ввиду малости их масс, вклад обычных нейтрино в ТМ, очевидно, незначителен

Стерильные нейтрино n Не участвуют в слабых взаимодействиях, но, поскольку обладают массой, могут смешиваться Стерильные нейтрино n Не участвуют в слабых взаимодействиях, но, поскольку обладают массой, могут смешиваться с обычными нейтрино n n Углы смешивания должны быть очень малы Масса должна быть ~10 кэ. В n n n Это следует из космологии, поскольку, распространяясь в ранней вселенной, они должны были бы сглаживать все флуктуации на масштабах, меньших их длины пробега, чтобы удовлетворить ограничениям, следующим из наблюдения крупномасштабной структуры Вселенной Должны радиационно распадаться на обычные нейтрино Получено ограничение на массу стерильных нейтрино: ≥ 14 кэ. В

Тяжелые и сверхтяжелые нейтрино n n Могут быть стерильными, но не обязательно Могут существовать Тяжелые и сверхтяжелые нейтрино n n Могут быть стерильными, но не обязательно Могут существовать в виде суперпозиции с легкими нейтрино Смешивание с легкими нейтрино должно быть малым Должны распадаться, причем их распады проявлялись бы в слабых распадах мезонов в виде дополнительных пиков в спектре заряженных лептонов: π→μν, π→eν, K→μν. n n На основании анализа спектра позитронов в распаде π+→e+νe была исключена область масс для тяжелых нейтрино: 50 ÷ 130 Мэ. В В ряде моделей предполагается: 45 Гэ. В ≤ m(νH) ≤ 1 Тэ. В

WIMPs n n Weakly-Interacting Massive Particle - слабовзаимодействующие массивные частицы Являются одним из предлагавшихся WIMPs n n Weakly-Interacting Massive Particle - слабовзаимодействующие массивные частицы Являются одним из предлагавшихся решений проблемы солнечных нейтрино: n n Если на Солнце происходит накапливание вимпов, то в конечном итоге они могут изменить перенос в нем энергии таким образом, что расчетные скорости счета нейтринных событий в детекторах уменьшатся Могли родиться в первые мгновения после Большого взрыва Должны обладать такой массой и сечением аннигиляции, чтобы они смогли выйти из равновесия в ранней Вселенной с плотностью, соответствующей плотности ТМ сейчас Текущее ограничение на массу по данным WMAP: m. WIMP ≤ 120 Тэ. В

MACHOs n MAssive Compact Halo Object – массивные компактные объекты гало галактик, которые не MACHOs n MAssive Compact Halo Object – массивные компактные объекты гало галактик, которые не видны по причине своих малых размеров и светимости n n Черные дыры, нейтронные звезды, коричневые карлики и др. с массой вплоть до ста солнечных В рамках двух проектов – MACHO и EROS (Expérience de Recherche d’Objets Sombres) – было проведено сканирование более 50 млрд звезд в БМО и ММО: n n Регистрировалось изменение блеска звезд, вызываемое эффектом микролинзирования Суммарная масса MACHO в гало этих галактик составила менее 15% от массы гало

Магнитные монополи n n Предложены Дираком в 1931 г. для объяснения квантования электрического заряда Магнитные монополи n n Предложены Дираком в 1931 г. для объяснения квантования электрического заряда Естественным образом появляются в ТВО и должны иметь массу ~107 ÷ 1017 Гэ. В n n n Модель т’Хоофта – Полякова: т. н. GUT-монополи Массивные магнитные монополи должны были образоваться в большом количестве во время фазовых переходов в ранней Вселенной К настоящему времени их плотность должна быть примерно такой же, что и плотность барионов

Как зарегистрировать ТМ? n Прямое детектирование n n Непрямое детектирование n n По рассеянию Как зарегистрировать ТМ? n Прямое детектирование n n Непрямое детектирование n n По рассеянию на ядрах По продуктам аннигиляции Получение на ускорителях (LHC)?

Экспериментальные технологии WIMP Elastic nuclear scattering Ge 10% energy Ge, Si Ionization Liquid Xe Экспериментальные технологии WIMP Elastic nuclear scattering Ge 10% energy Ge, Si Ionization Liquid Xe Target Heat Al 2 O 3, Li. F 100% energy slowest cryogenics Light Na. I, Xe 1% energy fastest no surface effects Ca. WO 4, BGO WIMP From V. Sanglard, 2005

Статус экспериментов Ionization 10 to 40 kg Ge in N 2 running ? ? Статус экспериментов Ionization 10 to 40 kg Ge in N 2 running ? ? ? Gran Sasso Ionization 0. 2 kg Ge diodes stopped Canfranc Ionization 2 kg Ge Diodes stopped Gran Sasso Light 100 kg Na. I stopped LIBRA Gran Sasso Light 250 kg Na. I stopped Boulby mine Light 46 kg Na. I stopped Boulby mine Light 4 kg Liquid Xe stopped Surface to GS Light+ Ionization 3 to 10 kg Liquid Xe running Boulby mine Light+ Ionization 6 kg Liquid Xe running Stanford Heat + Ionization 1 Kg Ge + 0. 2 Kg Si stopped CDMS-II t Gran Sasso CDMS-I en running ZEPLIN II al 41 kg Te. O 2 XENON -ev Heat ZEPLIN-I No n Gran Sasso Na. IAD tic Status DAMA tis Material HDMS Sta Technique GENIUS-TF en t-b y Location IGEX Ev Name CUORICINO e Discrimination Soudan mine Heat + Ionization 2 to 7 kg Ge + 0. 4 to 1. 4 Kg Si running CRESST-I Gran Sasso Heat + Light 0. 262 kg Al 2 O 3 stopped CRESST-II Gran Sasso Heat + Light 0. 6 to 9. 9 kg Ca. WO 4 running EDELWEISS-I Modane Heat + Ionization 1 kg Ge stopped EDELWEISS-II Modane Heat + Ionization 10 to 30 kg Ge In istallation PICASSO SNO Bubble chamber 20 g Freon running ROSEBUD Canfranc Heat + Light 50 g Al 2 O 3 + 67 g Ge + 54 g Ca. WO 4 running

Как будем регистрировать? Энергия отдачи ядра: A – число нуклонов в ядре n Рассеяние Как будем регистрировать? Энергия отдачи ядра: A – число нуклонов в ядре n Рассеяние на ядрах: n n n При упругом рассеянии спектр ядер отдачи – экспоненциальный со средней энергией отдачи 50 кэ. В При неупругом возможно взаимодействие с орбитальными электронами или возбуждение ядра При спин-независимом взаимодействии σ ~ A 2 n Таким образом, предпочтительными оказываются мишени с более тяжелыми ядрами

Сезонные вариации (~7%) потока WIMPs vsun = 220 км/с vorb. = 30 км/с Т Сезонные вариации (~7%) потока WIMPs vsun = 220 км/с vorb. = 30 км/с Т = 1 год t 0 = 2 июня когда v+(t) максимальна Таким образом, скорость счета детектором вимпов на каждом шаге энергетической шкалы изменится вследствие движения Земли вокруг Солнца, движущегося вокруг центра галактики: фон

Детектор DAMA (DArk MAtter) n 1 -я очередь: Dama/Na. I n n n 1996 Детектор DAMA (DArk MAtter) n 1 -я очередь: Dama/Na. I n n n 1996 -2002 гг. Лаборатория Гран-Сассо (3500 м. в. э. ) Девять сверхчистых кристаллов Na. I(Tl) массой 9. 7 кг, 10. 2 х 25. 4 см 3 n n n Потенциальная чувствительность как к легким (в реакциях с натрием), так и тяжелым (с иодом) вимпам Каждый кристалл просматривается двумя 3 -дюймовыми ФЭУ (EMI), работающими в режиме совпадения Защита кристаллов: 10 см (Cu) + 15 см (Pb) + 1. 5 мм Cd-фольги + (10 -40) см полиэтилен/парафин + 1 м бетона Порог: 2 кэ. В Световыход: 5 -7 ф. э. /кэ. В

Детектор DAMA (DArk MAtter) n 2 -я очередь: Dama/Libra (Large sodium Iodide Bulk for Детектор DAMA (DArk MAtter) n 2 -я очередь: Dama/Libra (Large sodium Iodide Bulk for RAre processes) n n n 2004 -2010 гг. 25 сверхчистых 9. 7 кг кристаллов Na. I/Tl Более чистые кристаллы, новая электроника, более высокая эффективность сбора данных и т. д.

The new DAMA/LIBRA set-up ~250 kg Na. I(Tl) (Large sodium Iodide Bulk for RAre The new DAMA/LIBRA set-up ~250 kg Na. I(Tl) (Large sodium Iodide Bulk for RAre processes) As a result of a second generation R&D for more radiopure Na. I(Tl) by exploiting new chemical/physical radiopurification techniques (all operations involving crystals and PMTs - including photos - in HP Nitrogen atmosphere) installing DAMA/LIBRA detectors assembling a DAMA/ LIBRA detectors during installation; in the central and right up detectors the new shaped Cu shield surrounding light guides (acting also as optical windows) and PMTs was not yet applied filling the inner Cu box with further shield closing the Cu box housing the detectors view at end of detectors’ installation in the Cu box

Детектор DAMA (DArk MAtter) n Структура установки в виде матрицы независимых детекторов позволяет существенно Детектор DAMA (DArk MAtter) n Структура установки в виде матрицы независимых детекторов позволяет существенно снизить счет фоновых событий, если потребовать регистрацию сигнала только в одном из кристаллов n Сам факт «многократного» события (в совпадении в двух и более детекторах) указывает на то, что оно является фоновым, т. к. многократное рассеяние вимпов невероятно

Model Independent Annual Modulation Result DAMA/Na. I (7 years) + DAMA/LIBRA (4 years) Total Model Independent Annual Modulation Result DAMA/Na. I (7 years) + DAMA/LIBRA (4 years) Total exposure: 300555 kg day = 0. 82 ton yr ar. Xiv: 0804. 2741 experimental single-hit residuals rate vs time and energy to appear on EPJC Acos[w(t-t 0)] ; continuous lines: t 0 = 152. 5 d, T = 1. 00 y 2 -4 ke. V A=(0. 0215± 0. 0026) cpd/kg/ke. V 2/dof = 51. 9/66 8. 3 C. L. Absence of modulation? No 2/dof=117. 7/67 P(A=0) = 1. 3 10 -4 2 -5 ke. V A=(0. 0176± 0. 0020) cpd/kg/ke. V 2/dof = 39. 6/66 8. 8 C. L. Absence of modulation? No 2/dof=116. 1/67 P(A=0) = 1. 9 10 -4 2 -6 ke. V A=(0. 0129± 0. 0016) cpd/kg/ke. V 2/dof = 54. 3/66 8. 2 C. L. Absence of modulation? No 2/dof=116. 4/67 P(A=0) = 1. 8 10 -4 The data favor the presence of a modulated behavior with proper features at 8. 2 s C. L.

Калибровка энергетической шкалы • Internal 40 K: 3. 2 ke. V due to X-rays/Auger Калибровка энергетической шкалы • Internal 40 K: 3. 2 ke. V due to X-rays/Auger electrons (tagged by 1461 ke. V g in an adiacent detector). • Internal 125 I: 67. 3 ke. V peak (EC from K shell + 35. 5 ke. V g) and composite peak at 40. 4 ke. V (EC from L, M, . . shells + 35. 5 ke. V g). • External 241 Am source: 59. 5 ke. V g peak and 30. 4 ke. V composite peak. • External 133 Ba source: 81. 0 ke. V g peak. • Internal 129 I: 39. 6 ke. V structure (39. 6 ke. V g + b spectrum). 67. 3 ke. V 3. 2 ke. V Internal 40 K Tagged by an adjacent detector 39. 6 ke. V 40. 4 ke. V 59. 5 ke. V 241 Am Internal 125 I first months 129 I 30. 4 ke. V 81 ke. V 133 Ba

Калибровка энергетической шкалы Линейность шкалы: Энергетическое разрешение: 1. 3 кэ. В 3. 2 кэ. Калибровка энергетической шкалы Линейность шкалы: Энергетическое разрешение: 1. 3 кэ. В 3. 2 кэ. В

Источники фона n Внешние n n Космогенные нейтроны (могут давать периодически меняющийся вклад вследствие Источники фона n Внешние n n Космогенные нейтроны (могут давать периодически меняющийся вклад вследствие сезонных вариаций потока космических мюонов) ФЭУ и кварцевые световоды (концентраторы), через которые реализован оптический контакт ФЭУ с кристаллами n n Медь, окружающая кристаллы n n 60 Co (β-, T 1/2=5. 3 лет, Emax=2. 8 Мэ. В) Внутренние n Мишень для ТМ, т. е. сами кристаллы n n В области до ~30 кэ. В фон будет определяться комптоновскими электронами от рассеяния высокоэнергетических γ-квантов Члены р/а семейств U, Th, а также 40 K 22 Na (β+, T =2. 6 лет, E 1/2 max=2. 8 Мэ. В) 129 I (β-, T =1. 6· 107 лет, E 1/2 max=194 кэ. В) Вклад всех возможных источников фона в скорость счета DAMA моделируется в GEANT 4, при этом в расчет берутся только одиночные (в одном кристалле) события.

40 K n n n (T 1/2=1. 27· 109 лет) Изотопная распространенность 0. 012% 40 K n n n (T 1/2=1. 27· 109 лет) Изотопная распространенность 0. 012% Присутствует везде, в т. ч. в кристаллах Na. I При распаде 40 K через К-захват (вероятность 11%) может быть зарегистрировано двойное событие: γ-квант 1. 46 Мэ. В в одном кристалле и оже-электроны или рентгеновские γ-кванты с Е = 3. 2 кэ. В (энергия связи К-оболочки 40 K) в другом Эти Оже-электроны 3. 2 кэ. В используются для калибровки энергетической шкалы Но они же являются и специфическим для DAMA фоном

Da. Ma. Заключение n n Действительно, наблюдается сезонное изменение скорости счета в области 2÷ Da. Ma. Заключение n n Действительно, наблюдается сезонное изменение скорости счета в области 2÷ 6 кэ. В по гармоническому закону с параметрами, отвечающими модели распределения частиц ТМ в галактическом гало Утверждается, что скорость счета является осциллирующей только в этой области энергий n n Действительно, непросто «придумать» какой-либо источник фона, который давал бы осциллирующую картину скорости счета исключительно в этой области энергий Обнародованной коллаборацией информации недостаточно для проведения критического анализа со стороны n Например, не опубликован энергетический спектр в области 0. 1 ÷ 2 Мэ. В

Криодетекторы n При близких к абсолютному нулю температурах мишени изменение температуры в результате какой-либо Криодетекторы n При близких к абсолютному нулю температурах мишени изменение температуры в результате какой-либо реакции (в т. ч. взаимодействия вимпа) является столь заметным, что может быть относительно легко измерено n n n Например, для увеличения температуры на 0. 1 К оловянной пластинки (d=10 мкм), находящейся при температуре 1 К, достаточно энергии 1 кэ. В; а той же пластинки, находящейся при Т=0. 3 К, – всего 14 э. В. Таким образом, в детектировании малых энерговыделений мишенями, находящимися при криогенных температурах, заложен огромный потенциал. Очевидно, что такие детекторы должны быть сверхнизкофоновыми.

Cresst-II Мишенью является сцинтилляционный кристалл-диэлектрик Ca. WO 4. Изменение температуры ΔT, вызванное выделением энергии Cresst-II Мишенью является сцинтилляционный кристалл-диэлектрик Ca. WO 4. Изменение температуры ΔT, вызванное выделением энергии ΔE : Теплоемкость При низких T теплоемкость пропорциональна кубу температуры (закон Дебая) и определяется акустическими колебаниями решетки: Температура Дебая Таким образом, любое энерговыделение в мишени приведет к образованию высокочастотных фононов.

Cresst-II n n n CRESST – Cryogenic Rare Event Search with Superconducting Thermometers Лаборатория Cresst-II n n n CRESST – Cryogenic Rare Event Search with Superconducting Thermometers Лаборатория Гран-Сассо, ~3500 м. в. э. Мишенью является матрица из цилиндрических (d=h=40 мм) сцинтилляционных кристаллов Ca. WO 4 массой ~300 г каждый n n n Детектор функционирует при температуре 10 м. К Пассивная защита: n n n Около 98% энергии отдачи ядра преобразуется в фононы, остаток преобразуется в свет 14 см сверхчистой меди 20 см свинца с низким (35 Бк/кг) содержанием 210 Pb (β-, T =22. 3 лет, E 1/2 max=63. 5 кэ. В) Алюминиевый контейнер, постоянно продуваевый азотом (radon box - защита от радона) 50 см полиэтилен (замедлитель нейтронов) Активное мюонное вето (пластиковый сцинтиллятор) Pb Cu п/э

Cresst-II: два в одном n В Cresst-I был реализован только фононный детектор (в качестве Cresst-II: два в одном n В Cresst-I был реализован только фононный детектор (в качестве мишени использовались несцинтиллирующие кристаллы сапфира) n n Как следствие, e/γ-фон было невозможно отличить от ядерной компоненты В Cresst-II этот недостаток устранен: n n Детектор фононов (phonon detector) Детектор фотонов (light detector)

Как измерить столь малое изменение температуры? n Transition Edge Sensor (TES) – сверхпроводящий болометр: Как измерить столь малое изменение температуры? n Transition Edge Sensor (TES) – сверхпроводящий болометр: n n n По сути, терморезистор Напыленная на кристалл тонкая (<0. 2 мкм) вольфрамовая пленка площадью несколько мм 2. Ее температура поддерживается в переходной области между нормальным проводящим и сверхпроводящим состояниями n n В этой области незначительное изменение температуры приводит к существенному изменению сопротивления Это изменение сопротивления измеряется сквидами (SQUID – сверхпроводящий квантовый интерферометр) Норм-П Сверх-П

Как измерить столь малое количество света? n КНС-полупроводник (кремний на сапфире) n n Сапфировая Как измерить столь малое количество света? n КНС-полупроводник (кремний на сапфире) n n Сапфировая подложка толщиной 0. 46 мм, диаметром 40 мм Слой кремния толщиной 1 мкм – поглотитель фотонов Каждый светодетектор на основе КНСполупроводника находится в контакте со сверхпроводящим болометром – таким же, как и в фононном детекторе Изменение сопротивления измеряется аналогично.

Детекторы Phonon detector Light detector CRESST-II: 33 detector modules 66 readout channels Детекторы Phonon detector Light detector CRESST-II: 33 detector modules 66 readout channels

Вклады O, Ca и W в ожидаемое число взаимодействий n n n На рисунке Вклады O, Ca и W в ожидаемое число взаимодействий n n n На рисунке – ожидаемое число взаимодействий вимпов в области энергий отдачи [12; 40] кэ. В в зависимости от массы в предположении их когерентного рассеяния на ядрах (σ~A 2) В зависимости от массы вимпа вклад в скорость счета различных ядерных компонент кристалла Ca. WO 4 перераспределяется. Чем тяжелее ядро-мишень – тем меньше энергия отдачи.

Quenching-эффект: плотность ионизации тяжелыми частицами столь высока, что происходит активная рекомбинация образовавшихся ионов. Как Quenching-эффект: плотность ионизации тяжелыми частицами столь высока, что происходит активная рекомбинация образовавшихся ионов. Как следствие, световыход более тяжелых частиц (вимпы, нейтроны, альфа-частицы, ядра отдачи) всегда меньше, чем легких (электроны, гамма-кванты). Энергия фотонов, кэ. В Идентификация типа частицы Энергия фононов, кэ. В

Квенчинг-факторы для разных ядер at 300 K at 7 m. K Большой квенчинг-фактор для Квенчинг-факторы для разных ядер at 300 K at 7 m. K Большой квенчинг-фактор для W, т. е. мало света при энергиях отдач <40 кэ. В. Возможность определить ядро отдачи: W, Ca или O?

Замедление космогенных нейтронов n n Монте-Карло (GEANT 4) В области энергий >12 кэ. В Замедление космогенных нейтронов n n Монте-Карло (GEANT 4) В области энергий >12 кэ. В вклад от рассеяния нейтронов на W является ничтожно малым. Для вимпов при когерентном рассеянии (σ~A 2) преимущественно ожидается как раз рассеяние на W (A=184). Таким образом, энергетическое окно для поиска вимпов было ограничено снизу на уровне 12 кэ. В

Источники фона n Рассматриваются отдельно следующие классы фоновых событий: n β/γ-фон n n α-фон Источники фона n Рассматриваются отдельно следующие классы фоновых событий: n β/γ-фон n n α-фон n n n Могут имитировать отдачу ядер O, Ca, W от взаимодействия вимпа Делается экстраполяция из более высокой области энергий в область вимпов Ядра отдачи n n n Отсекаются алгоритмом идентификации типа частицы 210 Po от распада 210 Po на поверхности кристалла: → 206 Pb (103 кэ. В) + α (5. 3 Мэ. В) Экстраполяция из более высокой области энергий в область вимпов Нейтроны и наведенная нейтронами активность n n n Спонтанное деление U, Th в конструкционных материалах (α, n)-реакции на легких ядрах Космогенные нейтроны, рожденные мюонами в меди, свинце n n 206 Pb Защита детектора от мюонов не по всем направлениям одинакова Тщательное МК-моделирование всех источников фона

Результаты n n Results from 730 kg days of the CRESST-II Dark Matter search, Eur. Результаты n n Results from 730 kg days of the CRESST-II Dark Matter search, Eur. Phys. J. C, 72, 1971 (2012) Статистика: 730 кг · день (сбор данных в 2011 г. ) Найдено 67 событий в ожидаемой (оранжевая на рисунке) области энергий отдачи ядер от взаимодействия вимпов Из анализа данных методом максимального правдоподобия получено, что эти 67 событий не могут быть объяснены только известными и рассмотренными источниками фона на уровне достоверности более 4σ

Ограничения на параметры вимпов: сечение vs. масса Ограничения на параметры вимпов: сечение vs. масса

Детекторы ТМ на основе жидкого ксенона n Чем хорош LXe: n n n n Детекторы ТМ на основе жидкого ксенона n Чем хорош LXe: n n n n Большая масса ядра (A=131) – хорошо для спиннезависимого взаимодействия вимпов, т. к. в этом случае σ~A 2. Большая плотность (3 г/см 3) – можно сделать довольно компактный детектор с гибкой геометрией в целом Сравнительно несложная криогеника (-100 С) Высокая скорость дрейфа электронов (2 мм/мкс) Отличные возможности для идентификации типа частицы Доступность Xe в больших количествах Сравнительно хорошо поддается очистке n Наибольшая трудность с 85 Kr

Принцип работы двухфазного детектора n Регистрируются два задержанных во времени сигнала: n S 1 Принцип работы двухфазного детектора n Регистрируются два задержанных во времени сигнала: n S 1 - сцинтилляционный в жидкой фазе (мишень) n n Ионизация атомов мишени с их возбуждением и последующим излучательным (для благородных газов в области вакуумного УФ) переходом в основное состояние S 2 (задержанный) электролюминесцентый в газовой фазе, как результат собирания носителей заряда, образовавшихся на первом этапе n Носители заряда вытягиваются приложенным внешним полем в газовую фазу, где они ускоряются еще более сильным полем, вызывая электролюминесценцию

XENON 100 n n Лаборатория Гран-Сассо Два вложенных друг в друга объема (мишень и XENON 100 n n Лаборатория Гран-Сассо Два вложенных друг в друга объема (мишень и вето), разделенных слоем фторопласта и заполненных LXe при температуре -91 С: n n n ФЭУ (1” Hamamatsu R 8520 -AL): n n n Мишень: 62 кг Вето: 99 кг Мишень: 98 top, 80 bottom Вето: 64 Внушительная пассивная защита: Pb, п/э, Cu, H 2 O и область, продуваемая N 2. Определение типа события по отношению собранного количества света в сигналах: (S 2/S 1)WIMP << (S 2/S 1)e, γ Время-проекционная камера n 3 D пространственное восстановление событий

XENON 100 Верхние ФЭУ Нижние ФЭУ XENON 100 Верхние ФЭУ Нижние ФЭУ

Источники фона n Рассматриваются отдельно следующие классы фоновых событий: n β/γ-фон n n n Источники фона n Рассматриваются отдельно следующие классы фоновых событий: n β/γ-фон n n n Нейтроны и наведенная нейтронами активность n n (T 1/2=10. 8 лет, Emax = 687 кэ. В): 85 Kr/Kr 2· 10 -11 в воздухе, т. е. ~1 Бк/м 3. Для экспериментов необходимо <30 ppt (криптона в естественной смеси изотопов) в 1 тонне LXe. 136 Xe 2 decay (T =8· 1021 лет, Q = 2. 48 Мэ. В), зарегистрирован 1/2 в 2011 г (EXO): expected rate in XENON is 1 x 10 -6 cts/kg/d/ke. V before any rejection 85 Kr Спонтанное деление U, Th в конструкционных материалах (α, n)-реакции на легких ядрах Космогенные нейтроны, рожденные мюонами в меди, свинце Тщательное МК-моделирование всех источников фона

Источники фона • and induced background ( 1/2=10. 7 y): 85 Kr/Kr 2 x Источники фона • and induced background ( 1/2=10. 7 y): 85 Kr/Kr 2 x 10 -11 in air giving ~1 Bq/m 3 Standard Xe gas contains ~ 10 ppm of Kr 10 Hz from 85 Kr decays in 1 liter of LXe. Allowing <1 85 Kr decay/day i n XENON energy band <1 ppb level of Kr in Xe 85 Kr 136 Xe 2 decay ( 1/2=8 x 1021 y): with Q= 2. 48 Me. V expected rate in XENON is 1 x 10 -6 cts/kg/d/ke. V before any rejection • Neutron induced background Muon induced neutrons: spallation of 136 Xe and 134 Xe take 10 mb and Homestake 4. 4 kmwe estimate 6 x 10 -5 cts/kg/d before any rejection reduce by muon veto with 99% efficiency ( , n) neutrons from rock: 1000/n/m 2/d from ( , n) reactions from U/Th of rock appropriate shield reduces this background to 1 x 10 -6 cts/kg/d/ke. V Neutrons from U/Th of detector materials: within shield, neutrons from U/Th of detector components and vessel give 5 x 10 -5 cts/kg/d/ke. V lower it by x 10 with materials selection

XENON 100: результаты n n Dark Matter Results from 100 Live Days of XENON XENON 100: результаты n n Dark Matter Results from 100 Live Days of XENON 100 Data, Phys. Rev. Lett. 107, 131302 (2011) Энергетическое окно для вимпов: 4 ÷ 30 ф/э (8. 4 ÷ 44. 6 кэ. ВNR) Зарегистрировано 3 события в чувствительной массе 48 кг При этом, ожидаемое число фоновых событий: 1. 8 ± 0. 6 Сигнала от вимпов не зарегистрировано.

Результаты. Ограничение на «сечение vs. масса» Результаты. Ограничение на «сечение vs. масса»

Заключение по теме n n n Эра интенсивных экспериментальных поисков ТМ началась чуть более Заключение по теме n n n Эра интенсивных экспериментальных поисков ТМ началась чуть более 10 лет назад Сегодня для детектирования рассеяния частиц ТМ на ядрах уже используются различные экспериментальные методики, которые по сути удалось развить именно благодаря возникшему вокруг темной материи ажиотажу Большой потенциал заложен в двухфазных (эмиссионных) детекторах.

Будущее экспериментальных поисков частиц ТМ n n Как и в случае сцинтилляционных и водных Будущее экспериментальных поисков частиц ТМ n n Как и в случае сцинтилляционных и водных черенковских детекторов, используемых для задач в области нейтрино от Солнца, гео-нейтрино, распада нуклонов и др. , в настоящее время будущее экспериментального поиска частиц ТМ видится в наращивании массы мишени. Идентификация частиц ТМ, образовавшихся (? ) в протон-протонных столкновениях на LHC n n Нетривиальная задача интерпретации ввиду большой множественности конечных состояний в ускорительных экспериментах в целом Детекторы на орбите Земли?

Нейтрино СМ n n n После того как были обнаружены нейтринные осцилляции, стало понятно, Нейтрино СМ n n n После того как были обнаружены нейтринные осцилляции, стало понятно, что нейтрино должны вносить вклад в ТМ, поскольку имеют массы Тем не менее, ввиду малости их масс, вклад обычных нейтрино в ТМ, очевидно, незначителен Максимально возможный вклад реликтовых нейтрино всех i типов в материю Вселенной:

WIMPs n n Weakly-Interacting Massive Particle - слабо-взаимодействующие массивные частицы Являются одним из предлагавшихся WIMPs n n Weakly-Interacting Massive Particle - слабо-взаимодействующие массивные частицы Являются одним из предлагавшихся решений проблемы солнечных нейтрино: n n n Если на Солнце происходит накапливание вимпов, то в конечном итоге они могут изменить перенос в нем энергии таким образом, что расчетные скорости счета нейтринных событий в детекторах уменьшатся Могли родиться в первые мгновения после Большого взрыва Должны обладать такой массой и сечением аннигиляции, чтобы они смогли выйти из равновесия в ранней Вселенной с плотностью, соответствующей плотности ТМ сейчас Текущее ограничение на массу по данным WMAP: m. WIMP ≤ 120 Тэ. В Оценка современной плотности вимпов:

Energy distribution of the modulation amplitudes, Sm, for the total exposure DAMA/Na. I (7 Energy distribution of the modulation amplitudes, Sm, for the total exposure DAMA/Na. I (7 years) + DAMA/LIBRA (4 years) total exposure: 300555 kg day = 0. 82 ton yr here. T=2 / =1 yr and t 0= 152. 5 day DE = 0. 5 ke. V bins A clear modulation is present in the (2 -6) ke. V energy interval, while Sm values compatible with zero are present just above In fact, the Sm values in the (6– 20) ke. V energy interval have random fluctuations around zero with 2 equal to 24. 4 for 28 degrees of freedom

XENON 100 n Пространственная реконструкция n n Нейтронный источник Am. Be n n На XENON 100 n Пространственная реконструкция n n Нейтронный источник Am. Be n n На основе нейронной сетки Для изучения отдачи ядер Еженедельные калибровки γ-источником: n Источник n 137 Cs LY(122 кэ. В) = (2. 20 ± 0. 09) ф. э/кэ. В при величине приложенного поля в LXe 530 В/см