DEAP

DEAP
이 기사는 암흑 물질에 대한 실험에 관한 것이다.계산 프레임워크는 DEAP(소프트웨어)를 참조하십시오.
2014년 시공 중 DEAP-3600 검출기

DEAP(Argon Pulse-shape difference)는 액체 아르곤을 표적 물질로 사용하는 직접 암흑 물질 탐색 실험이다.DEAP는 아르곤의 특성 섬광 펄스 형상에 기초한 배경 차별을 활용한다.목표 질량이 7kg인 1세대 검출기(DEAP-1)를 퀸즈 대학교에서 작동하여 액체 아르곤의 저반동 에너지에서 펄스 형태 변별 성능을 시험했다.그 후 DEAP-1은 2007년 10월 지구 표면에서 2km 아래인 SNOLAB로 옮겨져 2011년까지 데이터를 수집했다.

DEAP-3600은 100 GeV/c의2 암흑 물질 입자 질량에 대해 최대 10−462 cm의 낮은 WIMP-뉴클레온 산란 교차점에 대한 감도를 달성하기 위해 3600 kg의 활성 액체 아르곤 질량으로 설계되었다.DEAP-3600 검출기는 2016년 공사를 마치고 데이터 수집에 들어갔다.2016년 검출기(Detector) 사고가 발생하면서 데이터 수집이 잠시 중단됐다.이 실험은 2019년을 기점으로 데이터를 수집하고 있다.

암흑 물질에 대한 더 나은 민감도에 도달하기 위해 DEAP, DarkSide, CLEIN, ArDM 실험의 과학자들과 함께 Global Argon Dark Matter Collaboration을[1] 결성했다.액상 아르곤 질량이 20톤 이상(DarkSide-20k)인 검출기는 Lovatori Nazionali del Gran Sasso에서 작동할 계획이다.[2]극저배경 방사선 환경으로 인해 SNOLAB에서 운용될 예정인 수백 톤의 중성미자 액체 아르곤 목표 질량을 가진 차세대 검출기(ARGO)를 위한 연구개발 노력이 진행되고 있다.

아르곤 섬광 특성 및 배경 제거

액체 아르곤은 섬광 물질로서 입자와 상호작용하는 입자가 입사 입자로부터 축적된 에너지에 비례하여 빛을 생성하기 때문에, 이는 quenching이 주요한 기여 요인이 되기 전에 낮은 에너지의 선형 효과다.아르곤과 입자의 상호작용은 이온화를 일으키고 상호작용의 경로를 따라 후퇴하게 한다.후퇴하는 아르곤 핵은 재조합이나 자가트래핑을 겪으며, 결국 128nm 진공 자외선(VUV) 광자가 방출된다.또한 액체 아르곤은 자체 섬광에 투명하다는 고유한 특성을 가지고 있으며, 이는 축적된 모든 MeV 에너지에 대해 10에서 수천 개의 광자가 생성될 수 있도록 한다.

아르곤 핵이 있는 WIMP 암흑물질 입자의 탄성 산란은 핵이 후퇴하는 원인이 될 것으로 예상된다.이는 매우 낮은 에너지 상호작용(keV)이 될 것으로 예상되며 민감하기 위해서는 낮은 검출 임계값이 필요하다.탐지 임계값이 반드시 낮기 때문에 탐지된 백그라운드 이벤트 수가 매우 많다.WIMP와 같은 암흑 물질 입자의 희미한 서명은 가능한 많은 다양한 종류의 배경 사건들에 의해 가려질 것이다.이러한 암흑물질이 아닌 사건을 식별하는 기법은 펄스 형태 차별(PSD)으로, 액체 아르곤에서 섬광의 타이밍 시그니처를 기반으로 한 사건을 특징짓는다.

PSD는 액상 아르곤 검출기에서 가능하다. 왜냐하면 전자, 고에너지 광자, 알파, 중성자와 같은 서로 다른 입사 입자에 의한 상호작용은 회전 아르곤 핵의 흥분 상태의 다른 비율을 생성하기 때문이다. 이것들은 싱글릿 및 트리플릿 상태라고 알려져 있고 그것들은 6ns와 1300ns의 특성 수명과 함께 붕괴된다.각각[3]감마사와 전자로부터의 상호작용은 주로 전자 반동을 통해 3중으로 흥분된 상태를 생성하는 반면, 중성자와 알파 상호작용은 핵 반동을 통해 주로 싱글렛 흥분 상태를 만들어 낸다.아르곤 핵과의 암흑물질 입자의 탄성 산란으로 인해 윔프-뉴클레온 상호작용에서도 핵반동형 신호가 생성될 것으로 예상된다.

어떤 사건에 빛의 도착 시간 분포를 사용함으로써, 그것의 가능한 근원을 식별할 수 있다.이는 "후기" 윈도우에서 측정한 빛(<10,000ns)에 대해 "확약" 윈도우(<60ns)에서 광 검출기가 측정한 빛의 비율을 측정하여 정량적으로 측정한다.DEAP에서는 이 파라미터를 Fprompt라고 부른다.핵반동형 이벤트는 Fprompt(~0.7) 값이 높은 반면, 전자반동 이벤트는 Fprompt 값(~0.3)이 낮다.WIMP 유사 이벤트(핵반동)와 배경 유사 이벤트(전자반동)의 경우 프롬프트에서 이러한 분리로 인해 검출기에서 가장 지배적인 배경 소스를 고유하게 식별할 수 있다.[4]

DEAP에서 가장 풍부한 배경은 대기 아르곤에서 약 1 Bq/kg의 활성도를 갖는 아르곤-39의 베타 붕괴에서 비롯된다.[5]관심 에너지 영역(전자 에너지의 약 20 keV)에서 핵 반동으로 인한 베타 및 감마 배경 사건의 구별은 액체 대기 아르곤의 암흑 물질 탐색을 위해 이러한 배경을 충분히 억제하기 위해 10분의8 1보다 더 우수해야 한다.

DEAP-1

DEAP 프로젝트의 첫 단계인 DEAP-1은 액체 아르곤의 여러 특성을 특성화하고 펄스 형태 차별을 입증하며 엔지니어링을 개선하기 위해 설계되었다.이 검출기는 너무 작아서 암흑 물질 탐색을 할 수 없었다.DEAP-1은 7 kg의 액체 아르곤을 WIMP 상호작용의 대상으로 사용했다.액체 아르곤과 상호작용하는 입자에 의해 생성되는 섬광을 검출하기 위해 두 개의 광전자 증배관(PMT)을 사용했다.생성된 섬광은 짧은 파장(128nm)이기 때문에 자외선 섬광 빛을 흡수하고 가시 스펙트럼(440nm)에서 다시 방출하는 파장 변환 필름을 사용해 빛이 손실 없이 일반 창문을 통과해 PMT에 의해 검출됐다.

DEAP-1은 표면의 배경에 대한 양호한 펄스 형상의 구별을 입증하고 SNOLAB에서 작동을 시작했다.깊은 지하의 위치는 원치 않는 우주적인 배경 사건을 감소시켰다.DEAP-1은 실험 설정의 두 가지 변경을 포함하여 2007년부터 2011년까지 실행되었다.DEAP-1은 DEAP-3600에 필요한 설계 개선을 결정하는 백그라운드 이벤트를 특징으로 한다.[6]

DEAP-3600

DEAP-3600 검출기는 3600kg의 액체 아르곤을 사용하도록 설계되었으며, 1000kg의 기준 볼륨을 가지고 있으며, 나머지 볼륨은 자기 차폐 및 배경 거부권으로 사용된다.이것은 직경 2m의 구형 아크릴 용기에 담겨 있는데, 이것은 역사상 최초로 만들어진 것이다.[7]아크릴 용기는 255개의 높은 양자 효율 광전자 증배관(PMT)으로 둘러싸여 아르곤 섬광 빛을 감지한다.아크릴 그릇은 초순수로 채워진 지름 7.8m의 실드 탱크에 잠겨 있는 스테인리스 껍데기에 담겨 있다.강철 껍질의 외부에는 들어오는 우주 입자, 주로 뮤온에 의해 생성되는 체렌코프 방사선을 감지하기 위해 48개의 추가 거부권 PMT가 있다.

DEAP 검출기에 사용된 재료는 배경 사건 오염을 줄이기 위해 엄격한 무선 순도 표준을 준수해야 한다.사용된 모든 물질은 존재하는 방사선 수준을 결정하기 위해 분석되었고, 내부 검출기 구성요소는 붕괴된 딸로부터 알파 방사선을 방출하는 라돈 방출에 대한 엄격한 요구 조건을 가지고 있었다.내부 용기는 파장 이동 물질 TPB로 코팅되어 있으며, TPB는 진공 상태로 표면으로 증발되었다.[8]TPB는 대부분의 PMT 감도 영역에서 방출 스펙트럼이 425nm로 정점을 찍은 상태에서 빠른 재배출과 높은 광수율 때문에 액체 아르곤과 액체 제논 실험에 사용되는 일반적인 파장 이동 물질이다.

스핀 독립형 WIMP-핵 단면 측면에서 DEAP의 예상 민감도는 3년간의 실시간 데이터 수집 후 100 GeV/c에서2 10−46 cm이다2.[6]

협력기관

협력 기관:

이러한 협력은 또 다른 약하게 상호작용하는 입자인 중성미자를 연구한 SNO(Sudbury Neutrino Observatory) 프로젝트에서 많은 회원들과 기관들이 얻은 경험에서 크게 이익을 얻는다.

DEAP-3600의 현황

DEAP-3600 검출기는 공사가 완료된 후 2015년 2월부터 검출기에 질소가스 퍼지(purge)를 넣어 커미셔닝 및 보정 데이터를 취하기 시작했다.[9]검출기 충전이 완료되어 2016년 8월 5일부터 암흑물질 탐색을 위한 데이터 수집이 시작되었다.[10]검출기에 액상 아르곤을 처음 채운 직후인 2016년 8월 17일 부틸 O-링 씰이 고장 나 아르곤을 100ppm으로 오염시켰다. 그런2[7] 다음 검출기를 방출하여 다시 채웠으나, 이번에는 밀봉 실패의 재발을 피하기 위해 3300kg의 레벨까지 채웠다. 이 두 번째 채우는 2016년 11월에 완료되었다.최초 충진일로부터 4.44 라이브일 노출이 있는 최초의 암흑물질 검색 결과는 2017년 8월에 발표되었으며, 100 GeV2/c WIMP 질량에 대한 단면 한계는 1.2×10−44 cm이다2.[10]

암흑물질에 대한 민감도 향상은 2019년 2월 달성됐으며 2016~2017년 2차 채우기부터 231일 동안 수집된 데이터를 분석해 100 GeV/c2 WIMP 질량에 대해 단면적 3.9×10cm의−452 한계를 부여했다.[11]이 업데이트된 분석은 베타 및 감마 배경에 대한 펄스 형태 차별 기법에 대해 임계값에서 액체 아르곤에서 달성한 최고의 성능을 입증했다.이 협력은 또한 섬광 사건 이후 공간과 시간에서 관찰된 빛의 분포를 사용하여 희귀한 핵 반동 배경을 제거하는 새로운 기법을 개발했다.

DEAP-3600은 2022년을 기점으로 2016년부터 암흑물질 탐색을 계속하고 있다.On 5 January 2022 the experiment set constraints dark matter with Planck-scale mass with energy between and and cross section from ~ - c 2 2[12][13]

참조

  1. ^ GADMC 형성
  2. ^ Aalseth, C. E. (29 March 2018). "DarkSide-20k: A 20 tonne two-phase LAr TPC for direct dark matter detection at LNGS". The European Physical Journal Plus. 133 (131): 131. arXiv:1707.08145. Bibcode:2018EPJP..133..131A. doi:10.1140/epjp/i2018-11973-4. S2CID 119067979.
  3. ^ Heindl, T. (2010). "The scintillation of liquid argon". EPL. 91 (62002): 62002. arXiv:1511.07718. Bibcode:2010EL.....9162002H. doi:10.1209/0295-5075/91/62002. S2CID 55110486.
  4. ^ Boulay; et al. (2004). "Direct WIMP Detection Using Scintillation Time Discrimination in Liquid Argon". arXiv:astro-ph/0411358.
  5. ^ DEAP-1 웹 사이트
  6. ^ a b DEAP Collaboration (2014). "DEAP-3600 Dark Matter Search". International Conference on High Energy Physics (ICHEP 2014). 273–275: 340–346. arXiv:1410.7673. Bibcode:2014arXiv1410.7673D. doi:10.1016/j.nuclphysbps.2015.09.048. S2CID 55008520.
  7. ^ a b DEAP Collaboration (2019). "Design and Construction of the DEAP-3600 Dark Matter Detector". Astroparticle Physics. 108: 1–23. arXiv:1712.01982. Bibcode:2019APh...108....1A. doi:10.1016/j.astropartphys.2018.09.006. S2CID 119029164.
  8. ^ Broerman, B (18 April 2017). "Application of the TPB Wavelength Shifter to the DEAP-3600 Spherical Acrylic Vessel Inner Surface". JINST. 12 (4): P04017. arXiv:1704.01882. Bibcode:2017JInst..12P4017B. doi:10.1088/1748-0221/12/04/P04017. S2CID 118925932.
  9. ^ DEAP-3600의 현재 상태.2015년 11월
  10. ^ a b DEAP Collaboration (2018). "First results from the DEAP-3600 dark matter search with argon at SNOLAB". Physical Review Letters. 121 (7): 071801. arXiv:1707.08042. Bibcode:2017arXiv170708042D. doi:10.1103/PhysRevLett.121.071801. PMID 30169081. S2CID 206315242.
  11. ^ Ajaj et al. (DEAP Collaboration), R. (24 July 2019). "Search for dark matter with a 231-day exposure of liquid argon using DEAP-3600 at SNOLAB". Physical Review D. 100 (2): 022004. arXiv:1902.04048. Bibcode:2019PhRvD.100b2004A. doi:10.1103/PhysRevD.100.022004. S2CID 119342085.
  12. ^ Adhikari, P.; Ajaj, R.; Alpízar-Venegas, M.; Auty, D. J.; Benmansour, H.; Bina, C. E.; Bonivento, W.; Boulay, M. G.; Cadeddu, M.; Cai, B.; Cárdenas-Montes, M. (2022-01-05). "First Direct Detection Constraints on Planck-Scale Mass Dark Matter with Multiple-Scatter Signatures Using the DEAP-3600 Detector". Physical Review Letters. 128 (1): 011801. doi:10.1103/PhysRevLett.128.011801. ISSN 0031-9007.
  13. ^ "Experiment at SNOLAB Achieves World-Leading Result in the Search for Dark Matter". Research. Retrieved 2022-02-03.

외부 링크