XENÓN
El proyecto de investigación de materia oscura XENON , operado en el Laboratorio Nacional Italiano Gran Sasso , es una instalación de investigación subterránea profunda que presenta experimentos cada vez más ambiciosos con el objetivo de detectar partículas de materia oscura . Los experimentos tienen como objetivo detectar partículas en forma de partículas masivas de interacción débil (WIMP) mediante la búsqueda de interacciones raras a través de retrocesos nucleares en una cámara de objetivo de xenón líquido . El detector de corriente consta de una cámara de proyección de tiempo de fase dual (TPC).
El experimento detecta el centelleo y la ionización producidos cuando las partículas interactúan en el volumen de xenón líquido, para buscar un exceso de eventos de retroceso nuclear sobre fondos conocidos. La detección de tal señal proporcionaría la primera evidencia experimental directa de partículas candidatas a materia oscura. La colaboración está dirigida actualmente por la profesora italiana de física Elena Aprile de la Universidad de Columbia .
El experimento XENON opera una cámara de proyección de tiempo de fase dual (TPC), que utiliza un objetivo de xenón líquido con una fase gaseosa en la parte superior. Dos conjuntos de tubos fotomultiplicadores (PMT), uno en la parte superior del detector en la fase gaseosa (GXe) y otro en la parte inferior de la capa líquida (LXe), detectan la luz de centelleo y electroluminiscencia producida cuando las partículas cargadas interactúan en el detector . Los campos eléctricos se aplican tanto a la fase líquida como a la gaseosa del detector. El campo eléctrico en la fase gaseosa debe ser lo suficientemente grande para extraer electrones de la fase líquida.
Las interacciones de las partículas en el objetivo líquido producen centelleo e ionización. La luz de centelleo rápido produce fotones ultravioleta de 178 nm. Esta señal es detectada por los PMT y se denomina señal S1. El campo eléctrico aplicado evita la recombinación de todos los electrones producidos a partir de una interacción de partículas cargadas en el TPC. Estos electrones son llevados a la parte superior de la fase líquida por el campo eléctrico. Luego, la ionización se extrae a la fase gaseosa mediante el campo eléctrico más fuerte en la fase gaseosa. El campo eléctrico acelera los electrones hasta el punto que crea una señal de centelleo proporcional que también es recogida por los PMT, y se conoce como la señal S2. Esta técnica ha demostrado ser lo suficientemente sensible como para detectar señales S2 generadas a partir de electrones individuales. [1]
El detector permite una determinación de la posición 3-D completa [2] de la interacción de partículas. Los electrones en el xenón líquido tienen una velocidad de deriva uniforme. Esto permite determinar la profundidad de interacción del evento midiendo el retardo de tiempo entre la señal S1 y S2. La posición del evento en el plano xy se puede determinar observando el número de fotones que ve cada uno de los PMT individuales. La posición 3-D completa permite la fiducializacióndel detector, en el que se define una región de fondo bajo en el volumen interior del TPC. Este volumen fiducial tiene una tasa de eventos de fondo muy reducida en comparación con las regiones del detector en el borde del TPC, debido a las propiedades de autoprotección del xenón líquido. Esto permite una sensibilidad mucho mayor al buscar eventos muy raros.
Se espera que las partículas cargadas que se mueven a través del detector interactúen con los electrones de los átomos de xenón produciendo retrocesos electrónicos, o con el núcleo, produciendo retrocesos nucleares. Para una determinada cantidad de energía depositada por la interacción de una partícula en el detector, la relación de S2 / S1 se puede utilizar como un parámetro de discriminación para distinguir los eventos de retroceso electrónico y nuclear. [3] Se espera que esta relación sea mayor para los retrocesos electrónicos que para los retrocesos nucleares. De esta manera, los fondos de retrocesos electrónicos se pueden suprimir en más del 99%, mientras que simultáneamente se retiene el 50% de los eventos de retroceso nuclear.
