아르DM

ArDM

아르DM(Argon Dark Matter) 실험은 액체 아르곤 검출기를 기반으로 한 입자물리학 실험으로, 아마도 우주의 암흑 물질을 구성하는 WIMPs(Weakly Interactiving Massive Particles)의 신호를 측정하는 것을 목표로 하고 있다.아르곤 핵에서 나온 WIMP의 탄성 산란은 주변 원자와 상호작용하는 반동핵에 의해 생성되는 섬광에서 나오는 자유 전자와 광자를 관찰함으로써 측정할 수 있다.이온화 및 섬광 신호는 검출기의 기본 부분을 구성하는 전용 판독 기법으로 측정할 수 있다.

충분히 높은 목표 질량을 얻기 위해 고귀한 가스 아르곤은 액체 단계에서 목표 물질로 사용된다.아르곤의 비등점은 정상 압력에서 87K이므로 검출기의 작동에는 극저온 시스템이 필요하다.

실험목표

ArDM 검출기는 아르곤 핵에서 나오는 탄성 산란을 통해 WIMP에서 나오는 신호를 직접 검출하는 것을 목적으로 한다.산란 중에 특정 반동 에너지(일반적으로 1 keV와 100 keV 사이에 놓여 있음)는 WIMP에서 아르곤 핵으로 전달된다.

WIMP-argon 상호작용의 신호가 얼마나 자주 발생할 수 있는지 알 수 없다.이 비율은 WIMP의 특성을 설명하는 기본 모델에 따라 달라진다. WIMP의 가장 인기 있는 후보 중 하나는 초대칭 이론의 가장 가벼운 초대칭 입자(LSP) 또는 중성미자다.핵이 있는 그것의 단면은 아마도 10−12 pb에서 10−6 pb 사이일 것으로 추정되며, WIMP-뉴클레온 상호작용을 드문 사건으로 만든다.총 사건 발생률은 목표 질량 증가와 같은 목표 특성을 최적화하여 증가시킬 수 있다.ArDM 검출기는 약 1톤의 액체 아르곤을 함유할 계획이다.이 목표 질량은 10−6 pb 또는 10−10 pb에서 매일 0.01 이벤트의 단면에서 하루에 약 100 이벤트의 이벤트 속도에 해당한다.

작은 사건 발생률은 강력한 배경 거부를 필요로 한다.중요한 배경은 대기권에서 액화된 자연 아르곤에 불안정한 아르 동위원소가 존재하는 데서 비롯된다.39아르는 269년의 반감기와 565 keV의 베타 스펙트럼의 끝점으로 베타 붕괴를 겪는다.전자와 감마 상호작용의 섬광에 대한 이온화 비율은 WIMP 산란이 생성하는 것과 다르다.따라서 Ar 배경은 이온화/점화 비율을 정밀하게 결정하여 잘 구별할 수 있다.그 대안으로 지하 우물에서 고갈된 아르곤의 사용이 검토되고 있다.

검출기 구성 요소 및 검출기 주변의 물질에 의해 방출되는 중성자는 WIMP와 동일한 방식으로 아르곤과 상호작용한다.따라서 중성자 배경은 거의 구별할 수 없으며 예를 들어 검출기 재료를 신중하게 선택함으로써 가능한 한 잘 감소시켜야 한다.또한 나머지 중성자속도의 추정이나 측정이 필요하다.

이 검출기는 우주 광선에 의해 유도된 배경을 피하기 위해 지하에서 작동할 계획이다.

공사현황

ArDM 검출기는 2006년에 CERN에서 조립 및 시험되었다.장비와 검출기 성능에 대한 지상 연구는 2012년 스페인의 칸프랑크 지하 연구소에서 지하로 이동하기 전에 수행되었다.그것은 실온에서 임관하여 시험하였다.[1]2013년 4월 지하에서 주행하는 동안 광수율은 표면 조건에 비해 개선되었다.

향후 콜드 아르곤 가스 주행은 물론 지속적인 검출기 개발이 계획되어 있다.액체 아르곤 결과는 2014년으로 계획되어 있다.

1t급 이상이면 기술을 근본적으로 바꾸지 않고도 검출기 크기를 늘릴 수 있다.10톤 액체 아르곤 검출기는 ArDM에 있어 생각할 수 있는 확장 가능성. 1kg에서 100kg의 질량 척도로 암흑 물질 검출에 대한 현재 실험은 음성 결과와 함께 톤 스케일 실험의 필요성을 입증한다.

결과 및 향후 방향

2상 TPC를 포함하는 DarkSide-50 액체 아르곤 드워의 설계

본질적으로 '어두운' 물질을 연구했음에도 불구하고, 암흑 물질 검출기 개발의 미래는 밝다.'다크사이드 프로그램'은 제논 액체가 아닌 응축된 대기 아르곤(LAR)을 기반으로 새로운 실험을 진행, 지속적으로 개발하고 있는 컨소시엄이다.[2]최근의 다크사이드 장비 중 하나인 다크사이드-50(DS-50)은 "2상 액체 아르곤 시간 투영 챔버(LAR TPCs)"라는 방법을 채택하고 있는데, 이를 통해 아르곤과 암흑 물질 입자가 충돌하여 발생하는 전기 발광에 의해 발생하는 충돌 사건 위치를 입체적으로 판단할 수 있다.[3]다크사이드 프로그램은 2015년 첫 연구 결과를 발표해 지금까지 아르곤 기반의 암흑물질 검출에 가장 민감한 결과물이었다.[4]미래 기구에 사용되는 LAR 기반 방법은 제논 기반 검출기에 대한 대안을 제시하며, 가까운 미래에 잠재적으로 새롭고 더 민감한 멀티톤 검출기로 이어질 수 있다.[5]

참조

  1. ^ Badertscher, A.; Bay, F.; Bourgeois, N.; Cantini, C.; Curioni, A.; Daniel, M.; Degunda, U.; Luise, S Di; Epprecht, L.; Gendotti, A.; Horikawa, S.; Knecht, L.; Lussi, D.; Maire, G.; Montes, B.; Murphy, S.; Natterer, G.; Nikolics, K.; Nguyen, K.; Periale, L.; Ravat, S.; Resnati, F.; Romero, L.; Rubbia, A.; Santorelli, R.; Sergiampietri, F.; Sgalaberna, D.; Viant, T.; Wu, S. (2013). "ArDM: first results from underground commissioning". JINST. 8 (9): C09005. arXiv:1309.3992. Bibcode:2013JInst...8C9005B. doi:10.1088/1748-0221/8/09/C09005. S2CID 118684007.
  2. ^ Rossi, B.; Agnes, P.; Alexander, T.; Alton, A.; Arisaka, K.; Back, H. O.; Baldin, B.; Biery, K.; Bonfini, G. (2016-07-01). "The DarkSide Program". EPJ Web of Conferences. 121: 06010. Bibcode:2016EPJWC.12106010R. doi:10.1051/epjconf/201612106010.
  3. ^ "DarkSide-50 detector". darkside.lngs.infn.it. Retrieved 2017-06-02.
  4. ^ The DarkSide Collaboration; Agnes, P.; Agostino, L.; Albuquerque, I. F. M.; Alexander, T.; Alton, A. K.; Arisaka, K.; Back, H. O.; Baldin, B. (2016-04-08). "Results from the first use of low radioactivity argon in a dark matter search". Physical Review D. 93 (8): 081101. arXiv:1510.00702. Bibcode:2016PhRvD..93h1101A. doi:10.1103/PhysRevD.93.081101. ISSN 2470-0010. S2CID 118655583.
  5. ^ Grandi, Luca. "grandilab.uchicago: dark matter search with noble liquid technology". grandilab.uchicago.edu. Retrieved 2017-06-02.

외부 링크