Wat is een goede donkeremateriedetector? Het heeft veel gemeen met een goede teleconferentieopstelling:je hebt een gevoelige microfoon en een stille kamer nodig.

Wetenschappers die aan het SENSEI-experiment bij Fermilab van het Department of Energy werken, hebben nu voor het eerst een deeltjesdetector gedemonstreerd - gebaseerd op een ladingsgekoppeld apparaat, of CCD, technologie - met zowel de gevoeligheid als de lagere achtergrondsnelheden die nodig zijn voor een effectieve zoektocht naar deeltjes met een lage massa van donkere materie, de mysterieuze substantie die ongeveer 80 procent van alle materie in het universum uitmaakt.

De demonstratie is op twee manieren belangrijk. Eerst, de achtergrondsnelheden gemeten door de SENSEI-detector zijn recorddiepten voor een siliciumdetector. Ze stellen 's werelds sterkste limieten voor interacties van donkere materie met elektronen, over een breed scala aan modellen. Tweede, het toont de hoge kwaliteit van de detectoren die zullen worden gebruikt in het grootschalige SENSEI-experiment in aanbouw. SENSEI zal draaien in het Canadese diepe ondergrondse laboratorium SNOLAB.

De SENSEI-detector is een 5,4-megapixel CCD gemaakt van 2 gram silicium die momenteel ongeveer 100 meter onder de grond in Fermilab werkt. Als een donkeremateriedeeltje botst met een van de elektronen in het silicium, de aan het elektron overgedragen energie kan voldoende zijn om het uit de kristalstructuur van het silicium te bevrijden. Als er genoeg energie is, er komen extra elektronen vrij. Deze lading is het signaal waar SENSEI-wetenschappers naar op zoek zijn. Hoe kleiner het signaal dat SENSEI kan detecteren, hoe groter het bereik van donkere-materiemodellen die het kan testen.

Om kleine signalen van donkere materie waar te nemen, het eerste dat wetenschappers nodig hebben, is een gevoelige detector. Met andere woorden, ze moeten een klein signaal kunnen detecteren en dit consequent kunnen onderscheiden van een echt lege detector. Zoals aangetoond in eerder werk, SENSEI's schipper-CCD's, ontworpen door Lawrence Berkeley National Laboratory, kan het exacte aantal elektronen in elke pixel tellen.

Tweede, wetenschappers hebben een lage achtergrond nodig - de snelheid van signaalachtige gebeurtenissen door andere oorzaken dan donkere materie moet klein zijn. Een gevoelige detector met hoge achtergrond is als een studiomicrofoon in een rumoerige ruimte. Zelfs als de microfoon een gefluister kan opvangen, je zachte stem kan worden overstemd door het geluid van de wasmachine op de achtergrond. De enige manier om de opname te verbeteren, is door het geluid van de wasmachine te elimineren.

De samenwerking met SENSEI heeft nu voor het eerst aangetoond dat het een gevoelige detector voor donkere materie heeft en achtergrondsnelheden kan verlagen. Het is belangrijk om aan te tonen dat een detector lage achtergrondsnelheden kan bereiken voordat u opschaalt naar een groter experiment met dezelfde technologie. want anders ga je gewoon je achtergrondtarief opschalen. Eerdere zoekopdrachten naar donkere materie door SENSEI gebruikten prototype CCD's, die een hoge gevoeligheid hadden maar ook een hoge achtergrond omdat ze niet gemaakt waren met silicium van de hoogste kwaliteit.

SENSEI's nieuwe zoektocht naar donkere materie heeft het eerste resultaat opgeleverd van zijn nieuwe wetenschappelijke CCD's, die zijn vervaardigd in een speciale productierun voor SENSEI met hoogwaardig silicium. De samenwerking verminderde ook de hoeveelheid straling die de CCD raakt door extra afscherming rond het experiment toe te voegen. Het resultaat was een afname van het aantal achtergrondgebeurtenissen in vergelijking met de vorige zoekopdracht met een prototype CCD. De snelheid van gebeurtenissen met één elektron daalde van 33, 000 tot 450 gebeurtenissen/gram-dag, en we zien minder gebeurtenissen met twee elektronen (vijf, lager dan 21) in een veel grotere blootstelling (2,09 gram-dagen, vanaf 0,043). We zien ook geen gebeurtenissen met drie of vier elektronen, net als bij de vorige zoekopdracht, maar met een grotere blootstelling.

De wetenschappelijke CCD's werken zo goed als gehoopt, en SENSEI verwacht dat de achtergrondcijfers bij SNOLAB nog lager zullen zijn.