DarkSide实验将其搜索扩展到暗物质核子相互作用

发布时间：2023-05-30 20:15:36 来源：引人注目网 作者：综合

DarkSide实验是实验搜索一项雄心勃勃的研究工作，旨在使用位于地下格兰萨索国家实验室的扩展双相物理探测器检测液态氩中的暗物质粒子相互作用。这些相互作用可以通过最小化背景信号来观察，到暗这要归功于DarkSide-50探测器中液化氩闪烁脉冲的物质显着辨别力，它可以将与这些相互作用相关的核相互作核反冲事件与超过1亿个与放射性背景相关的电子反冲事件。

参与DarkSide实验的实验搜索大型研究人员团队最近一直在使用探测器寻找较轻的暗物质粒子。发表在PhysicalReviewLetters上的扩展一项新的暗物质-核子相互作用研究的结果使他们能够为亚GeV/c2暗物质设定新的限制条件。

“DarkSide-50实验旨在测试使用地下来源的到暗氩气，在放射性39Ar中自然耗尽，物质用于超大规模的核相互作暗物质搜索，”普林斯顿大学和格兰萨索科学研究所的实验搜索研究员克里斯蒂亚诺加尔比亚蒂(CristianoGalbiati)，告诉Phys.org。扩展“看到合作中的到暗一群年轻研究人员如何能够利用该设备提取不属于实验原始范围的暗物质搜索的最佳限制，这是物质非常了不起的。如果有的核相互作话，独创性和决心这个重要的结果应该归功于这个小组。”

理论预测表明，暗物质相互作用极为罕见，比探测器和周围环境中材料的放射性引起的相互作用低几个数量级。因此，为了可靠地寻找暗物质相互作用，研究人员必须能够抑制这些混杂的环境信号，即放射性背景。

DarkSide实验专门使用贵重目标搜索暗物质相互作用，特别是在零下近200摄氏度的低温下液化的氩气。贵金属液体是寻找罕见物理事件的理想目标，因为它们通过称为闪烁的过程发光和通过电离释放电荷来响应粒子相互作用。

“双相时间投影室是能够测量闪烁光和电离电荷的探测器，”格兰萨索科学研究所的研究员PaoloAgnes告诉Phys.org。“大部分目标质量处于液态。一层薄薄的气体位于液体顶部。探测器配备了光探测器，通常对单个光子敏感。通过测量液体中产生的闪烁光，我们可以重建相互作用能。”

通过电场，DarkSide检测器内的电离电子向液态氩的表面漂移。这会在液体表面产生更强的电场，从而能够提取并随后加速气体中的这些电离电子。这些加速的电子产生第二次光爆发，通常每个提取的电子由数百个光子组成。

“通过结合闪烁和电离信号，事件顶点重建的精度优于1厘米，从而可以非常有效地抑制某些背景，尤其是来自探测器表面的背景，”艾格尼丝解释说。“相对于其他液体，液态氩的一个优势是非常强大地拒绝由β和γ放射性引起的背景，通过使用瞬时闪烁信号的形状可以将其抑制九个数量级。进一步降低目标固有放射性，DarkSide-50使用从科罗拉多州的一口CO2井中提取的专用氩气，其放射性比从大气中提取的市售氩气低1,000倍。”

DarksSide-50探测器在意大利格兰萨索地下国家实验室连续运行了五年。在此期间收集的数据随后由参与DarkSide合作的研究人员进行分析，以寻找暗物质相互作用。

2018年，该合作发表了他们的双相液态氩探测器中首次无背景搜索暗物质的结果。通过特别关注氩闪烁，他们可以寻找WIMP的相互作用，诱导能量高于40keV的反冲，对应于WIMP质量大于20GeV/c2。

最近，探测器的潜力进一步增加，使团队能够仅通过利用氩电离来寻找更轻的暗物质粒子。虽然电离通道在区分有意义的信号和放射性背景方面不如闪烁通道那么好，但它将分析收集到的数据的阈值降低到亚keV范围。

“在如此低的能量范围内鲜为人知的电子（类似背景）和核（类似信号）反冲的电离响应是我们付出的巨大努力，”法国国家科学研究中心天体粒子与宇宙学实验室的研究员戴维德·佛朗哥(DavideFranco)/巴黎7日，告诉Phys.org。“2021年在这个方向上所做的工作使探测器可以校准到几十eV]，这是最近结果的关键因素。此外，这项工作扩展了下一代50吨LAr探测器（DarkSide）的潜力-20k)通过核的相干弹性散射来检测核心坍缩超新星中微子。”

图片来源：YurySuvorov，DarkSideCollaboration。

在他们之前的一项研究中，DarkSide研究人员于2023年3月发表在PhysicalReviewD上，准确地模拟了所有背景成分，与之前检测器材料筛选工作的预期比率非常一致。总的来说，这些工作提高了他们对探测器的整体理解，提供了宝贵的见解，为DarkSide-20k的创建提供了信息，DarkSide-20k是一种更先进的探测器，目标比DarkSide-50大1,000倍。

该团队最近对暗物质-核子相互作用的研究的一个重要创新点是，它是第一个专门研究在液态氩中伴随电子元件发射（即Migdal效应）的核反冲。虽然该团队没有检测到有意义的相互作用，但他们因此能够对弱相互作用大质量粒子(WIMP)设定新的限制，将它们的质量降低到40MeV/c2。

“这一结果打破了普遍认可的直接暗物质搜索范式，亚GeV/c2范围在固态技术的灵敏度方面占主导地位，”Franco解释说。“与此同时，与吨级液态氙探测器相比，它展示了在这样一个范围内几十公斤液态氩的潜力。在成就中不应忘记那些与寻找相互作用有关的成就'leptophilic'暗物质粒子，即具有电子最终状态。”

DarkSide合作组织最近的工作代表了持续探索WIMP的一个重要里程碑，因为这是首次直接寻找被解释为可能的暗物质候选者的惰性中微子。目前，全球氩暗物质合作组织正在建造DarkSide-20K，这将是迄今为止最先进的探测器，目标总目标质量为50吨液态氩。

“我们设计了一种探测器，对于100吨年的曝光，应该在20.2吨基准体积内看到<0.2个背景事件（错误识别的电子反冲(ER)和未标记的中子诱发核反冲(NR)），加上普林斯顿大学研究员ClaudioSavarese告诉Phys.org，预计1.7±0.3事件来自大气中微子相干散射（‘大气中微子雾’）产生的不可避免的核反冲物理背景。“在探测器中观察到的统计显着过量事件随后成为潜在的暗物质发现。DarkSide-20k被设计为对标准WIMP最敏感，质量超过100GeV/c2.尽管如此，对于DarkSide-50，我们将利用电离通道来搜索质量低至数十MeV/c2的轻暗物质候选物。”

Galbiati、Agnes、Franco、Savarese和他们的同事现在正在评估DarkSide-20K探测器的灵敏度，希望这将使他们能够进一步改进对亚GeV暗物质的现有限制。同时，他们正在设计DarkSide-LowMass，这是一项新的专用实验，将专门专注于寻找轻暗物质。

“这种新设备建立在DarkSide-50和DarkSide-20k的技术突破之上，并将其灵敏度扩展到‘太阳中微子雾’，这意味着它非常敏感，以至于太阳核心中产生的中微子成为主要的探测器背景，”萨瓦雷斯说。“详细介绍DS-LM的概念设计及其在暗物质参数空间中的影响的研究最近已发布在arXiv上，目前正在接受审查以在PhysicalReviewD上发表。”

DarkSide-LowMass探测器将是一个双相时间投影室，其中包含从地下提取的活性质量为1.5吨的氩气。这种氩气将经历一个活性同位素纯化过程，其39Ar的含量应进一步减少10倍。

与DarkSide-50和DarkSide-20k探测器相比，DarkSide-LowMass将具有极轻的时间投射室结构，有望降低因探测器材料中的杂质而导致的伽马活动。它还将采用新的低阈值伽玛否决系统，旨在进一步抑制残余背景率。

Savarese补充说：“在第一次科学运行之后，额外的研究和技术发展将允许提高DS-LM对亚GeV候选者的敏感性，以进行第二阶段的实验。”“这些努力旨在通过增加每单位沉积能量的电荷读出量并降低检测器能量阈值来增强信号。本质上，强大的DS-LM在于其无可比拟的低背景事件率及其敏捷性利用新技术来增强DM信号。前方的道路是清晰的，我发现能够将科学的界限推向新的长度真的很令人兴奋。”

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