Technologie die 30 jaar geleden werd voorgesteld om naar donkere materie te zoeken, ziet eindelijk het licht.

Wetenschappers gebruiken innovatieve sensoren, schipper CCD's (afkorting van charge-coupled devices) genoemd in een nieuw type project voor detectie van donkere materie. Wetenschappers zullen het project gebruiken, bekend als SENSEI, om de lichtste donkere materiedeeltjes te vinden waar iemand ooit naar heeft gezocht.

Donkere materie - zo genoemd omdat het niet absorbeert, weerkaatsen of zenden licht uit - vormt 27 procent van het universum, maar de jury is er nog steeds niet uit waar het van gemaakt is. De primaire theoretische verdachte voor het hoofdbestanddeel van donkere materie is een deeltje dat wetenschappers het zwak interactieve massieve deeltje beschrijvend hebben genoemd, of WIMP.

Maar aangezien geen van deze zware deeltjes, waarvan wordt verwacht dat ze een massa hebben die 100 keer groter is dan die van een proton, in experimenten zijn opgedoken, het is misschien tijd voor onderzoekers om klein te denken.

"Er is een groeiende interesse in het zoeken naar verschillende soorten donkere materie die toevoegingen zijn aan het standaard WIMP-model, " zei Fermilab-wetenschapper Javier Tiffenberg, een leider van de SENSEI-samenwerking. "Lichtgewicht, of lage massa, donkere materie is een zeer dwingende mogelijkheid, en voor de eerste keer de technologie is er om deze kandidaten te verkennen."

Donkere materie met een lage massa zou een kleine, moeilijk te zien handtekening wanneer het botst met materiaal in een detector. Om deze ongrijpbare deeltjes te vangen, is een meester nodig die donkere materie detecteert:SENSEI.

Het ongeziene voelen

In traditionele experimenten met donkere materie, wetenschappers zoeken naar een overdracht van energie die zou plaatsvinden als donkere materiedeeltjes in botsing zouden komen met een gewone kern, maar SENSEI is anders. Het zoekt naar directe interacties van donkere materiedeeltjes die botsen met elektronen.

"Dat is een groot verschil - je krijgt in dit geval veel meer energie overgedragen omdat een elektron zo licht is in vergelijking met een kern, ', aldus Tiffenberg.

Als donkere materie een lage massa heeft - veel kleiner dan het WIMP-model suggereert - dan zou het vele malen lichter zijn dan een atoomkern. Dus als het zou botsen met een kern, de resulterende energieoverdracht zou veel te klein zijn om ons iets te vertellen. Het zou zijn als het gooien van een pingpongbal naar een rotsblok:het zware voorwerp gaat nergens heen, en er zou geen teken zijn dat de twee met elkaar in contact waren gekomen.

Een elektron is lang niet zo zwaar als een atoomkern. In feite, een enkel proton heeft ongeveer 1, 836 keer meer massa dan een elektron. Dus de botsing van een deeltje van donkere materie met een lage massa met een elektron heeft een veel betere kans om een ​​merkteken achter te laten - meer bowlingbal dan het rotsblok van de kern.

Toch, het elektron is nog steeds een bowlingbal vergeleken met het donkere materiedeeltje met een lage massa. Een energieoverdracht tussen de twee zou slechts een straaltje energie achterlaten, een ofwel te klein voor de meeste detectoren om op te pikken of gemakkelijk overschaduwd door ruis in de gegevens. Er is een kleine uitwisseling van energie, maar, als de detector niet gevoelig genoeg is, het kan lijken alsof er niets gebeurt.

"De bowlingbal zal een heel klein beetje bewegen, " zei Fermilab-wetenschapper Juan Estrada, een SENSEI-medewerker. "Je hebt een zeer nauwkeurige detector nodig om deze interactie van lichtgewicht deeltjes met iets dat veel zwaarder is te zien."

Dat is waar de gevoelige schipper-CCD's van SENSEI van pas komen:ze zullen die kleine overdracht van energie oppikken.

CCD's zijn gebruikt voor andere experimenten voor het detecteren van donkere materie, zoals het Dark Matter in CCD's (of DAMIC) experiment dat werkt bij SNOLAB in Canada. Deze CCD's waren een spin-off van sensoren die zijn ontwikkeld voor gebruik in de Dark Energy Camera in Chili en andere projecten voor het zoeken naar donkere energie.

CCD's zijn meestal gemaakt van silicium verdeeld in pixels. Wanneer een donkeremateriedeeltje door de CCD gaat, het botst met de elektronen van silicium, ze vrij te kloppen, een netto elektrische lading achterlatend in elke pixel waar het deeltje doorheen gaat. De elektronen stromen vervolgens door aangrenzende pixels en worden uiteindelijk afgelezen als een stroom in een apparaat dat het aantal elektronen meet dat vrijkomt uit elke CCD-pixel. Die meting vertelt wetenschappers over de massa en energie van het deeltje - in dit geval het donkere materiedeeltje - dat de kettingreactie op gang bracht. Een enorm deeltje, als een WIMP, zou een stroom elektronen vrijmaken, maar een deeltje met een lage massa zou er maar één of twee kunnen bevrijden.

Typische CCD's kunnen de achtergebleven lading slechts één keer meten, wat het moeilijk maakt om te beslissen of een klein energiesignaal van een of twee elektronen echt is of een fout.

Skipper CCD's zijn een nieuwe generatie van de technologie die helpt om de "diffiness" van een meting met een foutmarge van één of twee elektronen te elimineren. Dat zorgt voor een veel hogere precisie dankzij een uniek ontwerp.

"Vroeger, detectoren konden de hoeveelheid lading van de energie die in elke pixel is afgezet slechts één keer meten, Tiffenberg zei. "De grote stap voorwaarts voor de schipper CCD is dat we deze lading zo vaak kunnen meten als we willen."

De lading die in de schipper-CCD achterblijft door donkere materie die elektronen losmaakt, kan meerdere keren worden bemonsterd en vervolgens worden gemiddeld, een methode die een nauwkeurigere meting oplevert van de lading die in elke pixel is afgezet dan de één-en-klaar-techniek. Dat is de regel van statistieken:met meer gegevens, u komt dichter bij de werkelijke waarde van een woning.

SENSEI-wetenschappers profiteren van de skipper CCD-architectuur, het meten van het aantal elektronen in een enkele pixel maar liefst 4, 000 keer en vervolgens het gemiddelde ervan. Dat minimaliseert de meetfout - of ruis - en verduidelijkt het signaal.

"Dit is een simpel idee, maar het kostte ons 30 jaar om het werkend te krijgen, ' zei Estrada.

van idee, naar de werkelijkheid, verder dan

Een klein SENSEI-prototype draait momenteel bij Fermilab in een detectorhal op 100 meter onder de grond, en het heeft aangetoond dat dit detectorontwerp zal werken in de jacht op donkere materie.

Na een paar decennia als slechts een idee te hebben bestaan, skipper CCD-technologie en SENSEI werden tot leven gebracht door Laboratory Directed Research and Development (LDRD) fondsen bij Fermilab en Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab). De Fermilab LDRD's werden pas onlangs toegekend - minder dan twee jaar geleden - maar de nauwe samenwerking tussen de twee laboratoria heeft al geleid tot het veelbelovende ontwerp van SENSEI, deels dankzij het eerdere werk van Berkeley lab in het ontwerp van schipper CCD.

Met Fermilab LDRD-fondsen kunnen onderzoekers de sensoren testen en detectoren ontwikkelen op basis van de wetenschap, en de Berkeley Lab LDRD-fondsen ondersteunen het sensorontwerp, die oorspronkelijk werd voorgesteld door Berkeley Lab-wetenschapper Steve Holland.

"Het is de combinatie van de twee LDRD's die SENSEI echt mogelijk maken, ' zei Estrada.

LDRD-programma's zijn bedoeld om financiering te verstrekken voor de ontwikkeling van nieuwe, baanbrekende ideeën voor wetenschappelijke ontdekkingen, en SENSEI-technologie past daar zeker bij, zelfs buiten de zoektocht naar donkere materie.

Ook toekomstig SENSEI-onderzoek krijgt een impuls dankzij een recente subsidie ​​van de Heising-Simons Foundation.

"SENSEI is erg cool, maar wat echt indrukwekkend is, is dat de schipper CCD de SENSEI-wetenschap en een heleboel andere toepassingen mogelijk maakt, Estrada zei. "Astronomische studies worden beperkt door de gevoeligheid van hun experimentele metingen, en het hebben van sensoren zonder ruis is het equivalent van het groter maken van je telescoop - gevoeliger."

SENSEI-technologie kan ook van cruciaal belang zijn bij de jacht op een vierde type neutrino, genaamd het steriele neutrino, die zelfs nog verlegener lijkt te zijn dan zijn drie notoir ongrijpbare neutrino-familieleden.

Een grotere SENSEI-detector uitgerust met meer CCD's voor schippers zal binnen het jaar worden ingezet. Het is mogelijk dat het niets detecteert, het sturen van onderzoekers terug naar de tekentafel in de jacht op donkere materie. Of SENSEI zou eindelijk contact kunnen maken met donkere materie - en dat zou SENSEI-tioneel zijn.