In een recente studie, een team van onderzoekers heeft nieuwe directe detectiebeperkingen gepresenteerd voor eV-naar-GeV donkere materie die in wisselwerking staat met elektronen, met behulp van een nieuwe prototypedetector die is ontwikkeld als onderdeel van het project Sub-Electron-Noise Skipper-CCD Experimental Instrument (SENSEI). De SENSEI-samenwerking bestaat uit onderzoekers van verschillende instellingen, waaronder het Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab), het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), Stony Brook-universiteit, Universiteit van Tel Aviv en de Universiteit van Oregon.

"SENSEI's doel is om te zoeken naar donkere materie in het massabereik van 1 eV tot 1 GeV, dat wil zeggen vele ordes van grootte in massa onder het proton, "Roven Essig, een van de onderzoekers die de studie hebben uitgevoerd en een faculteitslid aan de Stony Brook University, vertelde Phys.org. "Dit kan worden gedaan door te zoeken naar interacties van donkere materie met elektronen. het uitvoeren van een dergelijke zoekopdracht vereist ultragevoelige detectoren, sinds wanneer donkere materie van een elektron wordt verstrooid, het produceert slechts een kleine hoeveelheid lading in een detector. SENSEI maakt gebruik van Charge Coupled Devices (CCD's) die een ultralage uitleesruis hebben, zogenaamde Skipper-CCD's."

De Skipper-CCD's die door SENSEI worden gebruikt, zijn ontwikkeld als onderdeel van een R&D-samenwerking tussen Fermilab en Berkeley Lab. In eerdere onderzoeken is het uitleesgeluid was een beperkende factor, omdat het de nauwkeurigheid beperkte waarmee de lading in de CCD's kon worden gemeten. Het gebruik van nieuwe sensoren stelt onderzoekers nu in staat om deze lading nauwkeurig te meten, wat op zijn beurt een zoektocht mogelijk maakt naar interacties van donkere materie met elektronen op ongekende niveaus.

In hun studie hebben de SENSEI-samenwerking verzamelde gegevens in de MINOS-hal, een 120 meter lange grot gelegen 100 meter onder het oppervlak van de Fermilab-campus. De MINOS-caverne bevat een kleinere versie van de MINOS-detector in Soudan, die wordt gebruikt om de eigenschappen van neutrino's te meten.

"We hebben verschillende datasets genomen met een kleine, 0,1 gram, prototype Skipper-CCD bij de ondergrondse MINOS-faciliteit in Fermilab, " legde Juan Estrada uit, een wetenschapper bij Fermilab die bij het onderzoek betrokken was. "Dit prototype was verpakt en afgeschermd in een koperen vat."

De onderzoekers voerden een reeks experimenten uit. Ten eerste, ze lezen de Skipper CCD uit met een continue blootstelling van 0,177 g/dag. Hoewel ze geen gebeurtenissen met drie of meer elektronen waarnamen, ze vonden een grote achtergrondgebeurtenis met één en twee elektronen. Ze schreven deze bevinding toe aan onechte gebeurtenissen veroorzaakt door de versterker in de Skipper-CCD-uitleesfase.

De SENSEI-samenwerking testte ook een tweede strategie, waarbij vijf sets gegevens werden genomen terwijl alle versterkers werden uitgeschakeld en de Skipper CCD 120 ks werd blootgesteld. Vervolgens, de onderzoekers lezen de gegevens uit via de beste prototype-versterker die voor hen beschikbaar is. In dit geval, ze observeerden een gebeurtenissnelheid van één elektron die bijna 2 ordes van grootte lager was dan de gebeurtenissnelheid die werd waargenomen in hun experiment met continue uitlezing. Alweer, ze hebben geen gebeurtenissen waargenomen die drie of meer elektronen bevatten, voor een blootstelling van 0,069 g/dag.

"Onze gegevens waren in staat om nieuwe beperkingen op te leggen aan donkere materie, inclusief de beste beperkingen op de verstrooiing van donkere materie van elektronen voor massa's in het bereik van 500 keV tot 5 MeV, " zei Tien-Tien Yu, een faculteitslid aan de Universiteit van Oregon die het onderzoek heeft uitgevoerd. "Deze gegevens zijn genomen met een prototype-detector. Een van onze belangrijkste doelen was om ons begrip van het gedrag van de detector te verbeteren, zodat we in de toekomst klaar zijn om gegevens te verzamelen met verbeterde sensoren."

De SENSEI-samenwerking gebruikte de gegevens die in hun onderzoek werden verzameld om toonaangevende beperkingen op de verstrooiing van donkere materie en elektronen af ​​te leiden (voor massa's tussen 500 keV en 5 MeV), evenals op donkere-foton donkere materie die wordt geabsorbeerd door elektronen (voor een bereik van massa's onder 12,4 eV). Deze resultaten zouden hun begrip van detectoren kunnen vergroten en uiteindelijk informatie kunnen verzamelen met behulp van meer geavanceerde sensoren.

"We kopen nu nieuwe, verbeterde Skipper-CCD's, waarmee we een veel grotere detector gaan bouwen, " zei Javier Tiffenberg, een wetenschapper bij Fermilab die bij het onderzoek betrokken was. "Na het testen van de nieuwe sensoren, we zullen zowel bij Fermilab als bij SNOLAB (Canada) nieuwe gegevens gebruiken om naar donkere materie te zoeken."

Momenteel, de SENSEI-samenwerking koopt ongeveer 100 g nieuwe Skipper-CCD's en aangepaste elektronica voor een experiment bij SNOLAB, die later dit jaar worden geïnstalleerd. Volgens de voorspellingen van de onderzoekers deze sensoren zouden aanzienlijk beter moeten presteren dan de huidige, met verbeterde ruisprestaties en een lagere dark-count rate.

Tomer Volanski, een faculteitslid aan de Universiteit van Tel Aviv die deel uitmaakt van de SENSEI-samenwerking, verklaarde:"De resulterende zoektocht zal ordes van grootte van nieuwe parameterruimte voor donkere materie onderzoeken. We zijn erg enthousiast over wat ons te wachten staat."

© 2019 Wetenschap X Netwerk