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 que se producen 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 .
Principio del detector
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 líquido objetivo 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. Esta técnica ha demostrado ser lo suficientemente sensible como para detectar fotoelectrones individuales. [1] 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 en que crea una señal de centelleo proporcional que también es recogida por los PMT, y se conoce como la señal S2.
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 fiducialización del detector, en el que se define una región de fondo bajo en el volumen interno 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 cantidad dada de energía depositada por la interacción de una partícula en el detector, la relación de S2 / S1 puede usarse como un parámetro de discriminación para distinguir 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.
XENON10
El experimento XENON10 se instaló en el laboratorio subterráneo Gran Sasso en Italia durante marzo de 2006. La ubicación subterránea del laboratorio proporciona 3100 m de blindaje equivalente al agua. El detector se colocó dentro de un escudo para reducir aún más la tasa de fondo en el TPC. XENON10 fue diseñado como un prototipo de detector, para probar la eficacia del diseño XENON, así como para verificar el umbral alcanzable, el poder de rechazo de fondo y la sensibilidad. El detector XENON10 contenía 15 kg de xenón líquido. El volumen sensible del TPC mide 20 cm de diámetro y 15 cm de altura. [4]
Un análisis de 59 días en vivo de datos, tomado entre octubre de 2006 y febrero de 2007, no produjo firmas WIMP. El número de eventos observados en la región de búsqueda WIMP es estadísticamente consistente con el número esperado de eventos de fondos de retroceso electrónico. Este resultado excluyó parte del espacio de parámetros disponible en modelos Supersimétricos mínimos , al poner límites en las secciones transversales de nucleón WIMP independientes del espín hacia abajo.10 × 10 −43 cm 2 para unMasa WIMP 30 GeV / c 2 . [5]
Debido a que casi la mitad del xenón natural tiene estados de espín impares ( 129 Xe tiene una abundancia del 26% y espín-1/2; 131 Xe tiene una abundancia del 21% y espín-3/2), los detectores de XENON también se pueden utilizar para proporcionar límites en las secciones transversales de nucleón WIMP dependientes del espín para el acoplamiento de la partícula candidata de materia oscura tanto a neutrones como a protones. XENON10 estableció las restricciones más estrictas del mundo sobre el acoplamiento de neutrones puros. [6]
XENON100
El detector de segunda fase, XENON100, contiene 165 kg de xenón líquido, con 62 kg en la región objetivo y el xenón restante en veto activo. El TPC del detector tiene un diámetro de 30 cm y una altura de 30 cm. Como se espera que las interacciones WIMP sean eventos extremadamente raros, se lanzó una campaña exhaustiva durante la fase de construcción y puesta en servicio de XENON100 para detectar radiactividad en todas las partes del detector. El cribado se realizó utilizando detectores de germanio de alta pureza . En unos pocos casos se realizó espectrometría de masas en muestras de plástico de baja masa. Al hacerlo, se alcanzó el objetivo de diseño de <10 -2 eventos / kg / día / keV [7] , obteniendo el detector de materia oscura con la tasa de fondo más baja del mundo.
El detector se instaló en el Laboratorio Nacional Gran Sasso en 2008 en el mismo escudo que el detector XENON10 y ha realizado varias pruebas científicas. En cada ejecución científica, no se observó señal de materia oscura por encima del fondo esperado, lo que llevó al límite más estricto en la sección transversal de nucleón WIMP independiente del espín en 2012, con un mínimo en2,0 × 10 −45 cm 2 para un65 GeV / c 2 masa WIMP. [8] Estos resultados limitan las interpretaciones de señales en otros experimentos como interacciones de materia oscura y descartan modelos exóticos como la materia oscura inelástica, que resolvería esta discrepancia. [9] XENON100 también ha proporcionado límites mejorados en la sección transversal de nucleón WIMP dependiente del espín. [10] Se publicó un resultado de axiones en 2014, [11] estableciendo un nuevo mejor límite de axiones.
XENON100 operó el experimento de fondo más bajo en ese momento, para búsquedas de materia oscura, con un fondo de 50 mDRU (1 mDRU = 10 −3 eventos / kg / día / keV). [12]
XENON1T
La construcción de la siguiente fase, XENON1T, se inició en el Pabellón B del Laboratorio Nacional Gran Sasso en 2014. El detector contiene 3,2 toneladas de xenón líquido ultra radio puro y tiene un volumen fiducial de aproximadamente 2 toneladas. El detector está alojado en un tanque de agua de 10 m que sirve como veto de muones. El TPC tiene 1 m de diámetro y 1 m de altura.
El equipo del proyecto del detector, llamado XENON Collaboration, está compuesto por 135 investigadores de 22 instituciones de Europa, Oriente Medio y Estados Unidos. [13]
Los primeros resultados de XENON1T fueron publicados por la colaboración de XENON el 18 de mayo de 2017, en base a 34 días de toma de datos entre noviembre de 2016 y enero de 2017. Si bien no se detectaron oficialmente WIMP o señales candidatas a materia oscura, el equipo anunció un récord baja reducción de los niveles de radiactividad de fondo que capta XENON1T. Los límites de exclusión excedieron los mejores límites previos establecidos por el experimento LUX , con una exclusión de secciones transversales mayores que7,7 × 10 −47 cm 2 para masas WIMP de35 GeV / c 2 . [14] [15] Debido a que algunas señales que recibe el detector pueden deberse a neutrones, la reducción de la radiactividad aumenta la sensibilidad a los WIMP . [dieciséis]
En septiembre de 2018, el experimento XENON1T publicó sus resultados de 278,8 días de datos recopilados. Se estableció un nuevo límite récord para interacciones elásticas independientes de espín de nucleón WIMP, con un mínimo de4,1 × 10 −47 cm 2 a una masa WIMP de30 GeV / c 2 . [17]
En abril de 2019, según las mediciones realizadas con el detector XENON1T, la Colaboración XENON informó en Nature la primera observación directa de la captura de dos electrones de dos neutrinos en núcleos de xenón-124. [18] La vida media medida de este proceso, que es varios órdenes de magnitud mayor que la edad del Universo, demuestra las capacidades de los detectores basados en xenón para buscar eventos raros y muestra el amplio alcance de la física de próximos experimentos de generación. Esta medición representa un primer paso en la búsqueda del proceso de captura de doble electrón sin neutrinos , cuya detección proporcionaría información valiosa sobre la naturaleza del neutrino y permitiría determinar su masa absoluta.
A partir de 2019, el experimento XENON1T dejó de tomar datos para permitir la construcción de la siguiente fase, XENONnT. [19] El detector XENON1T funcionó en 2016-2018, [20] y las operaciones del detector finalizaron a finales de 2018. [21]
En junio de 2020, la colaboración XENON1T informó un exceso de retrocesos de electrones: 285 eventos, 53 más que los 232 esperados. [22] [23] Se consideraron tres explicaciones: existencia de axiones solares hipotéticos hasta la fecha , un momento magnético sorprendentemente grande para neutrinos y contaminación por tritio en el detector. No hay datos suficientes para elegir entre estos tres, aunque la actualización XENONnT debería proporcionar esta capacidad.
En octubre de 2020, los físicos que trabajaban en XENON1T señalaron la medición de una señal inusual con una significancia estadística de menos de 3,5σ. [24] Como resultado de estos datos se plantearon tres hipótesis principales: partículas emitidas por el Sol, bosones de materia oscura que se comportan independientemente de los WIMP o rastros de contaminación radiactiva encontrados. [25]
XENONnT
XENONnT es una actualización del experimento XENON1T subterráneo en LNGS. Sus sistemas contendrán una masa total de xenón de más de 8 toneladas. Además de un objetivo de xenón más grande en su cámara de proyección de tiempo, el experimento mejorado contará con nuevos componentes para reducir aún más o etiquetar la radiación que de otro modo constituiría el fondo de sus mediciones. Está diseñado para alcanzar una sensibilidad (en una pequeña parte del rango de masa sondada) donde los neutrinos se convierten en un fondo significativo. A partir de 2019, la actualización está en curso y se espera la primera luz en 2020. [19] [26]
El detector XENONnT estaba en construcción en marzo de 2020. Incluso con los problemas planteados por COVID-19, el proyecto pudo terminar la construcción y pasar a la fase de puesta en servicio a mediados de 2020. Las operaciones completas del detector comenzaron a fines de 2020. [21] [27 ]
Referencias
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Otras lecturas
- Ángulo, J; et al. (2008). "Primeros resultados del experimento de materia oscura XENON10 en el laboratorio nacional Gran Sasso". Cartas de revisión física . 100 (2): 021303. arXiv : 0706.0039 . Código Bibliográfico : 2008PhRvL.100b1303A . doi : 10.1103 / PhysRevLett.100.021303 . PMID 18232850 . S2CID 2249288 .
enlaces externos
- El experimento XENON
- Página de inicio de XENON en la Universidad de Chicago
- Página de inicio de XENON en la Universidad de Columbia
- Página de inicio de XENON en la Universidad de Zúrich
- Página de inicio de XENON en Rice University
- Página de inicio de XENON en Brown University
- Katsuhi Arisaka, XENON de la Universidad de California, Los Ángeles
- Trazador de límites de materia oscura con los últimos resultados de XENON y otros experimentos
- Iluminando la oscuridad, CERN Courier, 27 de septiembre de 2013
Coordenadas : 42 ° 25′14 ″ N 13 ° 30′59 ″ E / 42.42056 ° N 13.51639 ° E / 42.42056; 13.51639