El experimento de materia oscura ZEPLIN-III intentó detectar WIMP galácticos utilizando un objetivo de xenón líquido de 12 kg. Operó en el laboratorio subterráneo de Boulby (noreste de Inglaterra, Reino Unido) en el período 2006-2011. Este fue el último de una serie de experimentos basados en xenón en el programa ZEPLIN perseguido originalmente por UK Dark Matter Collaboration (UKDMC). El proyecto ZEPLIN-III fue dirigido por Imperial College London y también incluyó el Laboratorio Rutherford Appleton y la Universidad de Edimburgo en el Reino Unido, así como LIP-Coimbra en Portugal e ITEP-Moscú.En Rusia. Descartó secciones transversales para la dispersión elástica de WIMPs de nucleones por encima de 3,9 × 10 −8 pb (3,9 × 10 −44 cm 2 ) de las dos pruebas científicas realizadas en Boulby (83 días en 2008 y 319 días en 2010/11) .
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Los experimentos de búsqueda directa de materia oscura buscan colisiones extremadamente raras y muy débiles que se espera que ocurran entre las partículas frías de materia oscura que se cree que impregnan nuestra galaxia y los núcleos de átomos en el medio activo de un detector de radiación. Estas partículas elementales hipotéticas podrían ser partículas masivas de interacción débil , o WIMP, que pesan tan poco como unos pocos protones o tanto como varios núcleos pesados. Su naturaleza aún no se conoce, pero no quedan candidatos razonables dentro del Modelo Estándar de física de partículas para explicar el problema de la materia oscura.
Tecnología de detección
Los gases nobles condensados, en particular el xenón líquido y el argón líquido, son excelentes medios de detección de radiación. Pueden producir dos firmas para cada interacción de partículas: un destello rápido de luz ( centelleo ) y la liberación local de carga ( ionización ). En el xenón bifásico - así llamado porque involucra fases líquidas y gaseosas en equilibrio - la luz de centelleo producida por una interacción en el líquido se detecta directamente con tubos fotomultiplicadores ; los electrones de ionización liberados en el sitio de interacción se elevan a la superficie del líquido bajo un campo eléctrico externo y, posteriormente, se emiten a una fina capa de vapor de xenón. Una vez en el gas, generan un segundo pulso de luz más grande ( electroluminiscencia o centelleo proporcional), que es detectado por la misma matriz de fotomultiplicadores. Estos sistemas también se conocen como "detectores de emisiones" de xenón. [1]
Esta configuración es la de una cámara de proyección de tiempo (TPC); permite la reconstrucción tridimensional del sitio de interacción, ya que la coordenada de profundidad (z) se puede medir con mucha precisión a partir del tiempo de separación entre los dos pulsos de luz. Las coordenadas horizontales se pueden reconstruir a partir del patrón de aciertos en las matrices de fotomultiplicadores. Fundamentalmente para las búsquedas WIMP, la relación entre los dos canales de respuesta (centelleo e ionización) permite el rechazo de los fondos predominantes para las búsquedas WIMP: radiación gamma y beta de trazas de radiactividad en materiales detectores y el entorno inmediato. Los eventos candidatos a WIMP producen relaciones de ionización / centelleo más bajas que las interacciones de fondo más prevalentes.
El programa ZEPLIN fue pionero en el uso de tecnología de dos fases para búsquedas WIMP. Sin embargo, la técnica en sí se desarrolló por primera vez para la detección de radiación con argón a principios de la década de 1970. [1] Lebedenko, uno de sus pioneros en el Instituto de Física de Ingeniería de Moscú , participó en la construcción de ZEPLIN-III en el Reino Unido desde 2001. Desarrollado junto a él, pero en una escala de tiempo más rápida, ZEPLIN-II fue el primer detector WIMP de este tipo en operar en el mundo (2005). [2] Esta tecnología también fue adoptada con mucho éxito por el programa XENON . El argón bifásico también se ha utilizado para búsquedas de materia oscura por la colaboración WARP y ArDM . LUX está desarrollando sistemas similares que han establecido límites mejorados.
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Historia
La serie de experimentos ZEPLIN ( centelleo proporcional de ZonEd en gases nobles líquidos ) fue un programa progresivo seguido por la Colaboración de Materia Oscura del Reino Unido utilizando xenón líquido. Evolucionó junto con el programa DRIFT que promovió el uso de TPC llenos de gas para recuperar información direccional sobre la dispersión WIMP. A finales de la década de 1980, el UKDMC había explorado el potencial de diferentes materiales y técnicas, incluidos LiF criogénico, CaF 2 , silicio y germanio, a partir de los cuales surgió un programa en Boulby basado en centelleadores de NaI (Tl) a temperatura ambiente . [3] El movimiento posterior a un nuevo material objetivo, el xenón líquido, fue motivado por la comprensión de que los objetivos líquidos nobles son inherentemente más escalables y podrían lograr umbrales de energía más bajos y una mejor discriminación de fondo. [4] En particular, las capas externas del objetivo general, más afectadas por los fondos externos, pueden sacrificarse durante el análisis de datos si se conoce la posición de las interacciones; esto deja un volumen fiducial interno con tasas de fondo potencialmente muy bajas. Este efecto de autoprotección (al que se alude con el término 'zonificado' en el acrónimo ZEPLIN artificial) explica la ganancia más rápida en la sensibilidad de estos objetivos en comparación con las tecnologías basadas en un enfoque modular adoptado con detectores de cristal, donde cada módulo aporta su propio trasfondo.
ZEPLIN-I , un objetivo de xenón líquido de 3 kg, operó en Boulby desde finales de la década de 1990. [5] Usó discriminación de forma de pulso para el rechazo de fondo, aprovechando una pequeña pero útil diferencia entre las propiedades de sincronización de la luz de centelleo causada por WIMP y las interacciones de fondo. A esto le siguieron los sistemas de dos fases ZEPLIN-II y ZEPLIN-III, que fueron diseñados y construidos en paralelo en RAL / UCLA e Imperial College , respectivamente.
ZEPLIN-II fue el primer sistema de dos fases desplegado para buscar materia oscura en el mundo; [2] consistía en un objetivo de xenón líquido de 30 kg coronado por una capa de gas de 3 mm en la denominada configuración de tres electrodos: se aplicaron campos eléctricos separados a la mayor parte del líquido (objetivo WIMP) y a la región del gas encima mediante el uso de un electrodo adicional debajo de la superficie del líquido (además de una rejilla de ánodo, ubicada sobre el gas, y un cátodo, en la parte inferior de la cámara). En ZEPLIN-II, una serie de 7 fotomultiplicadores vieron la cámara desde arriba en la fase gaseosa.
ZEPLIN-III fue propuesto a finales de la década de 1990, [6] basado en parte en un concepto similar desarrollado en ITEP, [7] y construido por el Prof. Tim Sumner y su equipo en el Imperial College. Se desplegó bajo tierra en Boulby a finales de 2006, donde operó hasta 2011. Era una cámara de dos electrodos, donde la emisión de electrones al gas se lograba mediante un campo fuerte (4 kV / cm) en la masa líquida en lugar de un electrodo adicional. La matriz de fotomultiplicadores contenía 31 detectores de fotones que veían el objetivo WIMP desde abajo, sumergidos en el xenón líquido frío. [8]
ZEPLIN-II y -III se diseñaron deliberadamente de diferentes maneras, de modo que las tecnologías empleadas en cada subsistema pudieran evaluarse y seleccionarse para el experimento final propuesto por el UKDMC: un objetivo de xenón a escala de tonelada ( ZEPLIN-MAX ) capaz de sondeando la mayor parte del espacio de parámetros favorecido por la teoría en ese momento (1 × 10 −10 pb), aunque este último sistema nunca se construyó en el Reino Unido por falta de financiación.
Resultados
Aunque el objetivo de xenón líquido ZEPLIN-III se construyó en la misma escala que el de sus predecesores ZEPLIN, logró mejoras significativas en la sensibilidad WIMP debido al factor de discriminación más alto logrado y a un fondo general más bajo. En 2011 publicó límites de exclusión en la sección transversal de dispersión elástica de nucleón WIMP independiente de espín por encima de 3,9 × 10 −8 pb para una masa WIMP de 50 GeV. [9] Aunque no es tan estricto como los resultados de XENON100 , [10] esto se logró con una masa fiducial 10 veces menor y demostró la mejor discriminación de fondo jamás lograda en estos detectores. La sección transversal dependiente de espín de neutrones WIMP se excluyó por encima de 8,0 × 10 −3 pb. [11] [12] También descartó un modelo de dispersión WIMP inelástico que intentó reconciliar una afirmación positiva de DAMA con la ausencia de señal en otros experimentos. [13]
Referencias
- ^ a b B. A. Dolgoshein, VN Lebedenko & BI Rodionov, "Nuevo método de registro de pistas de partículas ionizantes en materia condensada", JETP Lett. 11 (11): 351 (1970)
- ^ a b Alner, GJ; Araújo, HM; Bewick, A .; Bungau, C .; Camanzi, B .; et al. (2007). "Primeros límites en las señales de retroceso nuclear WIMP en ZEPLIN-II: un detector de xenón de dos fases para la detección de materia oscura". Física de astropartículas . 28 (3): 287-302. arXiv : astro-ph / 0701858 . Código bibliográfico : 2007APh .... 28..287A . doi : 10.1016 / j.astropartphys.2007.06.002 . ISSN 0927-6505 . S2CID 1044263 .
- ^ Consulte la lista completa de referencias de UKDMC en http://hepwww.rl.ac.uk/ukdmc/pub/fulpub.html
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enlaces externos
- Proyecto ZEPLIN-III
- Laboratorio subterráneo de Boulby
- Colaboración con la materia oscura del Reino Unido
Coordenadas :54 ° 33′12 ″ N 0 ° 49′28 ″ W / 54,5534 ° N 0,8245 ° W / 54,5534; -0,8245