Kosmologische waarnemingen en metingen die in het verleden zijn verzameld, suggereren dat gewone materie, waaronder sterren, sterrenstelsels, het menselijk lichaam en talloze andere objecten/levende organismen, maakt slechts 20% uit van de totale massa van het heelal. De resterende massa is getheoretiseerd om te bestaan ​​uit zogenaamde donkere materie, een soort materie die niet absorbeert, licht weerkaatsen of uitstralen en kan dus alleen indirect worden waargenomen door zwaartekrachtseffecten op de omgeving.

Hoewel de exacte aard van dit ongrijpbare type materie nog onbekend is, in de afgelopen decennia, natuurkundigen hebben veel deeltjes geïdentificeerd die verder reiken dan het standaardmodel (de theorie die enkele van de belangrijkste fysieke krachten in het universum beschrijft) en die goede kandidaten voor donkere materie zouden kunnen zijn. Vervolgens probeerden ze deze deeltjes te detecteren met behulp van twee hoofdtypen geavanceerde deeltjesdetectoren:gram-schaal halfgeleidende detectoren (meestal gemaakt van silicium en gebruikt om te zoeken naar donkere materie met een lage massa) en ton-schaal gasvormige detectoren (die hogere energiedetectiedrempels hebben). en zijn beter geschikt voor het uitvoeren van zoekopdrachten naar donkere materie met hoge massa).

De EDELWEISS-samenwerking, een grote groep onderzoekers werkzaam aan de Université Lyon 1, Université Paris-Saclay en andere instituten in Europa, voerde onlangs de eerste zoektocht uit naar Sub-MeV donkere materie met behulp van een op germanium(Ge) gebaseerde detector. Hoewel het team geen donkere materie kon detecteren, ze stelden een aantal beperkingen op die toekomstige onderzoeken zouden kunnen informeren.

"EDELWEISS is een direct onderzoek naar donkere materie. Als zodanig is ons primaire doel is om donkere materie te detecteren om onweerlegbaar bewijs van zijn bestaan ​​te leveren, "Quentin Arnaud, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org. "Nog altijd, de afwezigheid van detectie is zelf een belangrijk resultaat, omdat dit ons in staat stelt om bestaande modellen voor donkere materiedeeltjes te testen en beperkingen op te leggen."

Er zijn twee belangrijke redenen waarom donkere-materiedeeltjes tot nu toe aan detectie zijn ontsnapt. Eerst, de kans dat deze deeltjes zullen interageren met gewone materie, zoals die in conventionele deeltjesdetectoren, is extreem klein.

Tweede, het signaal dat onderzoekers verwachten dat zou voortkomen uit een deeltje van donkere materie dat de detector raakt, is enkele ordes van grootte lager dan de signalen die worden geproduceerd door natuurlijke radioactiviteit. Het detecteren van deze signalen zou dus zeer lange blootstellingstijden van de detector vereisen en het gebruik van instrumenten die zijn gemaakt van radiozuivere materialen, maar die ook voldoende zijn afgeschermd en diep onder de grond worden geëxploiteerd, omdat dit voorkomt dat ze omgevingsradioactiviteit en kosmische straling oppikken.

"Uiteindelijk (ondanks al onze inspanningen), er zal altijd een achtergebleven achtergrond zijn die we nodig hebben om te kunnen discrimineren, " legde Arnaud uit. "Daarom, we ontwikkelen detectortechnologieën waarmee we kunnen bepalen of de signalen die we detecteren worden veroorzaakt door een deeltje van donkere materie of afkomstig zijn van de radioactieve achtergrond."

Arnaud en zijn collega's waren de eersten die naar sub-MeV donkere materie zochten met behulp van een cryogene detector van 33,4 g germanium in plaats van een op silicium gebaseerde deeltjesdetector. Ze zochten specifiek naar donkere materiedeeltjes die zouden interageren met elektronen. De detector die ze gebruikten werd ondergronds gebruikt in het Laboratoire Souterrain de Modane, In Frankrijk.

"De energie die in onze detector wordt afgezet na een interactie met donkere materiedeeltjes zal naar verwachting extreem klein zijn ( <1 keV), " zei Arnaud. "Bij het zoeken naar lichte donkere materiedeeltjes (sub-MeV-massa's), het is nog erger:de afgezette energie kan zo klein zijn als een paar eV, energieafzettingen zo klein dat slechts een paar geavanceerde detectortechnologieën er gevoelig voor kunnen zijn."

De detector die door de EDELWEISS-samenwerking wordt gebruikt, bestaat in wezen uit een cilindrisch germaniumkristal dat is afgekoeld tot cryogene temperatuur (18 mK of -273, 13°C), met aluminium elektroden aan elke kant van het kristal, waarop het team een ​​hoogspanningsverschil aanbracht. Botsingen tussen deeltjes en kern/atomen in het kristal leiden tot de productie van elektron-gatparen, die een klein laadsignaal induceren (d.w.z. stroom) terwijl ze naar de verzamelelektroden drijven.

In aanvulling, botsing van een deeltje met het kristalrooster induceert een kleine temperatuurstijging (d.w.z. minder dan 1 micro-Kelvin). Deze temperatuurverandering kan worden gemeten met behulp van een zeer gevoelige thermische sensor die bekend staat als een met neutronentransmutatie gedoteerde (NTD) -sensor. Aangezien de energieafzettingen die theoretisch zouden moeten ontstaan ​​uit sub-MeV donkere materiedeeltjes ongelooflijk klein zijn (d.w.z. in de eV-schaal), echter, het bijbehorende laadsignaal zou te klein zijn om meetbaar te zijn en de temperatuurstijging te gering om door een NTD-sensor te worden gemeten.

"Om dit probleem op te lossen, onze detector maakt gebruik van wat het Neganov-Trofimov-Luke (NTL)-effect wordt genoemd (dat tot op zekere hoogte vergelijkbaar is met het Joule-effect):in cryogene halfgeleiderdetectoren, de drift van N elektron-gatparen over een spanningsverschil produceert extra warmte waarvan de energie optelt tot de aanvankelijke afzetting, "Zei Arnaud. "Dit Neganov-Trofimov-Luke (NTL) -effect verandert in wezen een cryogene calorimeter (bediend op ΔV =0V) in een ladingsversterker. Een kleine energiedepot leidt uiteindelijk tot een hoge (meetbare) temperatuurstijging en hij verhoogt de spanning, hoe hoger de versterkingswinst."

Arnaud en zijn collega's stellen nieuwe beperkingen aan de kinetische vermenging van donkere fotonen. Algemeen, de bevindingen die ze verzamelden demonstreren de hoge relevantie en waarde van cryogene germaniumdetectoren in de voortdurende zoektocht naar donkere materie-interacties die elektronensignalen op eV-schaal produceren.

De EDELWEISS-samenwerking ontwikkelt nu een reeks krachtigere detectoren genaamd SELENDIS (Single ELEctron Nuclear recoil DIScrimination). Het belangrijkste kenmerk van deze nieuwe detectoren is een innovatieve discriminatietechniek waarmee het team onderscheid kan maken tussen nucleaire en elektronische terugslag tot een enkel elektron-gatpaar met de enige meting van warmtesignalen in plaats van de gelijktijdige meting van twee waarneembare objecten ( bijv., , warmte/ionisatie, ionisatie/scintillatie of warmte/scintillatie), zoals het geval is met eerder voorgestelde discriminatietechnieken.

"Er zijn momenteel geen bestaande detectortechnologieën die de gevoeligheid voor detectie van één elektron en discriminatie kunnen combineren, "Zei Arnaud. "Directe detectie-experimenten die zijn geoptimaliseerd voor zoekopdrachten naar donkere materie met hoge massa zijn erg goed in het onderscheiden van het signaal van de achtergrond, maar hebben relatief hoge detectiedrempels voor energie. Zoekexperimenten met een lage massa op donkere materie, waaronder EDELWEISS, hebben ongekend lage detectiedrempels voor energie, maar kunnen het signaal niet van de achtergrond onderscheiden. Met SELENDIS, ons doel is om de twee te combineren door de eerste detector te ontwikkelen die de gevoeligheid van een enkel elektrongatpaar combineert met achtergronddiscriminatiemogelijkheden."

© 2020 Wetenschap X Netwerk