DEAP - DEAP

Cet article porte sur l'expérience sur la matière noire. Pour le cadre de calcul, voir DEAP (logiciel) .
Détecteur DEAP-3600 pendant la construction en 2014

DEAP ( Expérience sur la matière noire utilisant la discrimination de forme d'impulsion d'argon ) est une expérience de recherche directe sur la matière noire qui utilise de l' argon liquide comme matériau cible. Le DEAP utilise une discrimination de fond basée sur la forme d'impulsion de scintillation caractéristique de l'argon. Un détecteur de première génération ( DEAP-1 ) avec une masse cible de 7 kg a été utilisé à l'Université Queen's pour tester les performances de la discrimination de la forme des impulsions à de faibles énergies de recul dans l'argon liquide. Le DEAP-1 a ensuite été déplacé vers SNOLAB , à 2 km sous la surface de la Terre, en octobre 2007 et a collecté des données jusqu'en 2011.

Le DEAP-3600 a été conçu avec 3600 kg de masse d'argon liquide actif pour atteindre une sensibilité aux sections efficaces de diffusion des nucléons WIMP aussi faibles que 10 à 46 cm 2 pour une masse de particules de matière noire de 100 GeV / c 2 . Le détecteur DEAP-3600 a terminé sa construction et a commencé la collecte de données en 2016. Un incident avec le détecteur a forcé une courte pause dans la collecte de données en 2016. À partir de 2019, l'expérience recueille des données.

Pour atteindre une sensibilité encore meilleure à la matière noire, la Global Argon Dark Matter Collaboration a été formée avec des scientifiques des expériences DEAP, DarkSide , CLEAN et ArDM . Un détecteur d'une masse d'argon liquide supérieure à 20 tonnes ( DarkSide-20k ) est prévu pour l'exploitation au Laboratori Nazionali del Gran Sasso . Les efforts de recherche et développement visent un détecteur de nouvelle génération ( ARGO ) avec une masse cible d'argon liquide de plusieurs centaines de tonnes conçu pour atteindre le plancher de neutrinos, prévu pour fonctionner à SNOLAB en raison de son environnement de rayonnement de fond extrêmement faible.

Propriétés de scintillation d'argon et rejet d'arrière-plan

Étant donné que l'argon liquide est un matériau scintillant, une particule qui interagit avec elle produit de la lumière proportionnellement à l'énergie déposée par la particule incidente, il s'agit d'un effet linéaire pour les basses énergies avant que la trempe ne devienne un facteur contributif majeur. L'interaction d'une particule avec l'argon provoque une ionisation et un recul le long du chemin d'interaction. Les noyaux d'argon en recul subissent une recombinaison ou un auto-piégeage, aboutissant finalement à l'émission de photons ultraviolets (VUV) sous vide de 128 nm. De plus, l'argon liquide a la propriété unique d'être transparent à sa propre lumière de scintillation, ce qui permet des rendements lumineux de 10 sur des milliers de photons produits pour chaque MeV d'énergie déposée.

On s'attend à ce que la diffusion élastique d'une particule de matière noire WIMP avec un noyau d'argon provoque le recul du noyau. On s'attend à ce qu'il s'agisse d'une interaction à très faible énergie (keV) et nécessite un seuil de détection bas pour être sensible. En raison du seuil de détection nécessairement bas, le nombre d'événements de fond détectés est très élevé. La faible signature d'une particule de matière noire telle qu'un WIMP sera masquée par les nombreux types différents d'événements d'arrière-plan possibles. Une technique pour identifier ces événements de matière non noire est la discrimination de forme d'impulsion (PSD), qui caractérise un événement basé sur la signature temporelle de la lumière de scintillation de l'argon liquide.

La PSD est possible dans un détecteur d'argon liquide car les interactions dues à différentes particules incidentes telles que les électrons , les photons à haute énergie , les alphas et les neutrons créent différentes proportions d'états excités des noyaux d'argon en recul, ceux-ci sont connus sous le nom d' états singulet et triplet et ils se désintègrent. avec des durées de vie caractéristiques de 6 ns et 1300 ns respectivement. Les interactions des gammas et des électrons produisent principalement des états excités triplets par des reculs électroniques, tandis que les interactions neutrons et alpha produisent principalement des états excités singulets par des reculs nucléaires. On s'attend à ce que les interactions WIMP-nucléon produisent également un signal de type de recul nucléaire en raison de la diffusion élastique de la particule de matière noire avec le noyau d'argon.

En utilisant la distribution de l'heure d'arrivée de la lumière pour un événement, il est possible d'identifier sa source probable. Cela se fait quantitativement en mesurant le rapport de la lumière mesurée par les photo-détecteurs dans une fenêtre «prompt» (<60 ns) sur la lumière mesurée dans une fenêtre «tardive» (<10 000 ns). Dans DEAP, ce paramètre est appelé Fprompt. Les événements de type recul nucléaire ont des valeurs Fprompt élevées (~ 0,7) tandis que les événements de recul électronique ont une valeur Fprompt faible (~ 0,3). En raison de cette séparation dans Fprompt pour les événements de type WIMP (recul nucléaire) et de type arrière-plan (recul électronique), il est possible d'identifier de manière unique les sources de fond les plus dominantes dans le détecteur.

Le fond le plus abondant en DEAP provient de la désintégration bêta de l' argon-39 qui a une activité d'environ 1 Bq / kg dans l'argon atmosphérique. La discrimination des événements de fond bêta et gamma des reculs nucléaires dans la région énergétique d'intérêt (près de 20 keV d'énergie électronique) doit être meilleure que 1 sur 10 8 pour supprimer suffisamment ces arrière-plans pour une recherche de matière noire dans l'argon atmosphérique liquide.

DEAP-1

La première étape du projet DEAP, DEAP-1, a été conçue afin de caractériser plusieurs propriétés de l'argon liquide, de démontrer la discrimination de la forme d'impulsion et d'affiner l'ingénierie. Ce détecteur était trop petit pour effectuer des recherches de matière noire. DEAP-1 a utilisé 7 kg d'argon liquide comme cible pour les interactions WIMP. Deux tubes photomultiplicateurs (PMT) ont été utilisés pour détecter la lumière de scintillation produite par une particule interagissant avec l'argon liquide. Comme la lumière de scintillation produite est de courte longueur d'onde (128 nm), un film de décalage de longueur d'onde a été utilisé pour absorber la lumière de scintillation ultraviolette et la réémettre dans le spectre visible (440 nm) permettant à la lumière de passer à travers les fenêtres ordinaires sans aucune perte et éventuellement détecté par les PMT.

DEAP-1 a démontré une bonne discrimination de la forme d'impulsion des arrière-plans sur la surface et a commencé à fonctionner à SNOLAB. L'emplacement souterrain profond a réduit les événements de fond cosmogéniques indésirables . DEAP-1 a fonctionné de 2007 à 2011, y compris deux changements dans la configuration expérimentale. DEAP-1 a caractérisé les événements d'arrière-plan, déterminant les améliorations de conception nécessaires dans DEAP-3600.

DEAP-3600

Le détecteur DEAP-3600 a été conçu pour utiliser 3600 kg d'argon liquide, avec un volume de référence de 1000 kg, le volume restant est utilisé comme auto-blindage et veto d'arrière-plan. Celui-ci est contenu dans un récipient en acrylique sphérique d'environ 2 m de diamètre , le premier du genre jamais créé. Le récipient en acrylique est entouré de 255 tubes photomultiplicateurs (PMT) à haute efficacité quantique pour détecter la lumière de scintillation à l'argon. Le récipient en acrylique est logé dans une coque en acier inoxydable immergée dans un réservoir blindé de 7,8 m de diamètre rempli d'eau ultra pure. L'extérieur de la coque en acier a 48 PMT de veto supplémentaires pour détecter le rayonnement Tchérenkov produit par les particules cosmiques entrantes, principalement les muons .

Les matériaux utilisés dans le détecteur DEAP devaient se conformer à des normes de radio-pureté strictes afin de réduire la contamination par les événements de fond. Tous les matériaux utilisés ont été analysés pour déterminer les niveaux de rayonnement présents, et les composants internes du détecteur avaient des exigences strictes en matière d' émanation de radon , qui émet un rayonnement alpha de ses filles de désintégration . Le récipient interne est revêtu d'un matériau de déplacement de longueur d'onde TPB qui a été évaporé sous vide sur la surface. Le TPB est un matériau de décalage de longueur d'onde couramment utilisé dans les expériences d'argon liquide et de xénon liquide en raison de sa réémission rapide et de son rendement lumineux élevé, avec un spectre d'émission culminant à 425 nm, dans la région de sensibilité de la plupart des PMT.

La sensibilité projetée du DEAP en termes de section efficace du noyau WIMP indépendante du spin est de 10 -46 cm 2 à 100 GeV / c 2 après trois années de prise de données.

Institutions collaboratrices

Les institutions collaboratrices comprennent:

Cette collaboration bénéficie en grande partie de l'expérience acquise par de nombreux membres et institutions dans le cadre du projet de l'Observatoire des neutrinos de Sudbury (SNO), qui a étudié les neutrinos , une autre particule à faible interaction.

Statut du DEAP-3600

Une fois la construction terminée, le détecteur DEAP-3600 a commencé à prendre des données de mise en service et d'étalonnage en février 2015 avec une purge d'azote gazeux dans le détecteur. Le remplissage du détecteur a été terminé et la collecte de données pour rechercher la matière noire a commencé le 5 août 2016. Peu de temps après le remplissage initial du détecteur avec de l'argon liquide, un joint torique en butyle a échoué le 17 août 2016 et a contaminé l'argon. avec 100 ppm de N 2 Le détecteur a ensuite été purgé et rempli à nouveau, mais cette fois à un niveau de 3300 kg pour éviter une réapparition de la rupture du joint: ce deuxième remplissage a été achevé en novembre 2016. La première recherche de matière noire Les résultats avec une exposition de 4,44 jours vivants à partir du remplissage initial ont été publiés en août 2017, donnant une limite de section de 1,2 × 10 −44 cm 2 pour une masse WIMP de 100 GeV / c 2 .

Une sensibilité améliorée à la matière noire a été obtenue en février 2019, avec une analyse des données collectées sur 231 jours vivants à partir du deuxième remblai en 2016-2017, donnant une limite de section transversale de 3,9 × 10 -45 cm 2 pour un 100 GeV / c. 2 masse WIMP. Cette analyse mise à jour a démontré les meilleures performances jamais obtenues dans l'argon liquide au seuil, pour la technique de discrimination de forme d'impulsion contre les arrière-plans bêta et gamma. La collaboration a également développé de nouvelles techniques pour rejeter les arrière-plans de recul nucléaire rares, en utilisant la distribution observée de la lumière dans l'espace et le temps après un événement de scintillation.

À partir de 2019, DEAP-3600 continue de rechercher de la matière noire.

Les références

Liens externes