Een nieuw ontwerp van een deeltjesdetector voorgesteld door het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Amerikaanse Department of Energy zou de zoektocht naar donkere materie aanzienlijk kunnen verbreden - die 85 procent van de totale massa van het universum uitmaakt, maar we weten niet wat het is gemaakt van - naar een onontgonnen gebied.

Hoewel verschillende grote fysica-experimenten gericht waren op theoretische donkere materiedeeltjes, WIMP's genaamd, of zwak interagerende massieve deeltjes, het nieuwe detectorontwerp zou kunnen scannen op signalen van donkere materie met energieën die duizenden keren lager zijn dan die meetbaar zijn door meer conventionele WIMP-detectoren.

De ultragevoelige detectortechnologie bevat kristallen van galliumarsenide die ook de elementen silicium en boor bevatten. Deze combinatie van elementen zorgt ervoor dat de kristallen schitteren, of licht op, in deeltjesinteracties die elektronen wegslaan.

Deze scintillatie-eigenschap van galliumarsenide is grotendeels onontgonnen, zei Stephen Derenzo, een senior natuurkundige in de Molecular Biophysics and Integrated Bioimaging Division van Berkeley Lab en hoofdauteur van een studie die op 20 maart in de Tijdschrift voor Toegepaste Natuurkunde die de eigenschappen van het materiaal beschrijft.

"Het is moeilijk om een ​​beter materiaal voor te stellen om in dit specifieke massabereik te zoeken, "Derenzo zei, die wordt gemeten in MeV, of miljoenen elektronvolt. "Het vinkt alle vakjes aan. We maken ons altijd zorgen over een 'Gotcha!' of showstopper. Maar ik heb geprobeerd te bedenken hoe dit detectormateriaal kan falen en ik kan het niet."

De doorbraak kwam van Edith Bourret, een senior stafwetenschapper in de Materials Sciences Division van Berkeley Lab die decennia eerder het mogelijke gebruik van galliumarsenide in circuits had onderzocht. Ze gaf hem een ​​monster van galliumarsenide van dit eerdere werk met toegevoegde concentraties, of "dopeerstoffen, " van silicium en boor.

Derenzo had eerder enkele matige prestaties gemeten in een monster van commerciële kwaliteit galliumarsenide. Maar het monster dat Bourret hem overhandigde, vertoonde een scintillatiehelderheid die vijf keer helderder was dan in het commerciële materiaal, door toegevoegde concentraties, of "dopeerstoffen, " van silicium en boor die het materiaal nieuwe en verbeterde eigenschappen gaven. Deze verbeterde scintillatie betekende dat het veel gevoeliger was voor elektronische excitaties.

"Als ze me dit monster van meer dan 20 jaar geleden niet had gegeven, Ik denk niet dat ik het zou hebben nagestreefd, "Zei Derenzo. "Als dit materiaal wordt gedoteerd met silicium en boor, dit blijkt erg belangrijk te zijn en, per ongeluk, een zeer goede keuze aan doteringsmiddelen."

Derenzo merkte op dat hij al lang interesse heeft in scintillatoren die ook halfgeleiders zijn, aangezien deze klasse van materialen ultrasnelle scintillatie kan produceren die nuttig is voor medische beeldvormingstoepassingen zoals PET (positron emissie tomografie) en CT (computertomografie) scans, bijvoorbeeld, evenals voor experimenten met hoge energiefysica en stralingsdetectie.

De gedoteerde galliumarsenidekristallen die hij bestudeerde, lijken zeer geschikt voor zeer gevoelige deeltjesdetectoren omdat extreem zuivere kristallen commercieel in grote maten kunnen worden gekweekt, de kristallen vertonen een hoge helderheid als reactie op elektronen die weg zijn gesprongen van atomen in de atomaire structuur van de kristallen, en ze lijken niet te worden gehinderd door typische ongewenste effecten zoals signaalnagloeiing en donkerstroomsignalen.

Enkele van de grotere WIMP-jachtdetectoren - zoals die van het door Berkeley Lab geleide LUX-ZEPLIN-project dat nu in aanbouw is in South Dakota, en zijn voorganger, het LUX-experiment - neem een ​​vloeistofscintillatiedetector op. Een grote tank met vloeibaar xenon is omgeven door sensoren om alle lichte en elektrische signalen te meten die worden verwacht van de interactie van een donkere-materiedeeltje met de kern van een xenon-atoom. Dat soort interactie staat bekend als een nucleaire terugslag.

In tegenstelling tot, de op kristallen gebaseerde galliumarsenidedetector is ontworpen om gevoelig te zijn voor de kleinere energieën die gepaard gaan met elektronenterugslag - elektronen die uit atomen worden uitgestoten door hun interactie met donkere materiedeeltjes. Net als bij LUX en LUX-ZEPLIN, de galliumarsenidedetector zou diep onder de grond moeten worden geplaatst om hem te beschermen tegen het typische bad van deeltjes dat op aarde regent.

Het zou ook moeten worden gekoppeld aan lichtsensoren die de zeer weinige infraroodfotonen (lichtdeeltjes) kunnen detecteren die worden verwacht van een interactie met donkere materie met een lage massa, en de detector zou moeten worden gekoeld tot cryogene temperaturen. De silicium- en boordoteermiddelen kunnen mogelijk ook worden geoptimaliseerd om de algehele gevoeligheid en prestaties van de detectoren te verbeteren.

Omdat de samenstelling van donkere materie nog steeds een mysterie is - het kan bestaan ​​uit een of meerdere deeltjes met verschillende massa's, bijvoorbeeld, of helemaal niet uit deeltjes bestaat - Derenzo merkte op dat galliumarsenidedetectoren slechts één venster bieden naar de mogelijke schuilplaatsen van donkere materiedeeltjes.

Hoewel oorspronkelijk werd gedacht dat WIMP's een massabereik bewonen, gemeten in miljarden elektronvolt, of GeV, de galliumarsenide-detectortechnologie is zeer geschikt voor het detecteren van deeltjes in het massabereik gemeten in miljoenen elektronvolts, of MeV.

Natuurkundigen van Berkeley Lab stellen ook andere soorten detectoren voor om het zoeken naar donkere materie uit te breiden, inclusief een opstelling die een exotische staat van gekoeld helium gebruikt, bekend als superfluïd helium, om zogenaamde "lichte donkere materie" -deeltjes in het massabereik van duizenden elektronvolt (keV) direct te detecteren.

"Superfluïde helium is wetenschappelijk complementair aan galliumarsenide, aangezien helium gevoeliger is voor interacties van donkere materie met atoomkernen, terwijl galliumarsenide gevoelig is voor interactie van donkere materie met elektronen, " zei Dan McKinsey, een facultaire senior wetenschapper bij Berkeley Lab en hoogleraar natuurkunde aan UC Berkeley die deel uitmaakt van de LZ-samenwerking en R&D doet op het gebied van detectie van donkere materie met behulp van supervloeibaar helium.

"We weten niet of donkere materie sterker interageert met kernen of elektronen - dit hangt af van de specifieke aard van de donkere materie, die tot nu toe onbekend is."

Een andere poging zou galliumarsenidekristallen gebruiken in een andere benadering van het zoeken naar lichte donkere materie op basis van trillingen in de atomaire structuur van de kristallen, zogenaamde optische fononen. Deze opstelling kan gericht zijn op "lichte donkere fotonen, ", die theoretische deeltjes met een lage massa zijn die zouden dienen als de drager van een kracht tussen donkere materiedeeltjes - analoog aan het conventionele foton dat de elektromagnetische kracht draagt.

Nog een nieuw experiment van de volgende generatie, bekend als het Super Cryogenic Dark Matter Search-experiment, of SuperCDMS SNOLAB, zal silicium- en germaniumkristallen gebruiken om op WIMP's met een lage massa te jagen.

"Dit zouden complementaire experimenten zijn, Derenzo zei over de vele benaderingen. "We moeten naar alle mogelijke massabereiken kijken. Je wilt niet voor de gek gehouden worden. Je kunt een massabereik niet uitsluiten als je daar niet naar kijkt."