DarkSide实验将其搜索扩展到暗物质
DarkSide实验是一项雄心勃勃的研究工作，旨在使用位于地下Gran Sasso国家实验室的双相物理探测器检测液态氩气中的暗物质粒子相互作用。这些相互作用可以通过最小化背景信号来观察，这要归功于DarkSide-50探测器中液化氩闪烁脉冲的显着辨别能力，它可以将与这些相互作用相关的核反冲事件与超过100亿个与放射性背景相关的电子反冲事件分开。
参与DarkSide实验的大型研究小组最近一直在使用探测器来搜索较轻的暗物质粒子。发表在《物理评论快报》上的暗物质-核子相互作用的新研究结果使他们能够为亚GeV / c设置新的约束。2暗物质。
“DarkSide-50实验旨在测试使用地下来源的氩气，这些氩气在放射性中自然耗尽。39Ar，用于非常大规模的暗物质搜索，“普林斯顿大学和Gran Sasso科学研究所的研究员Cristiano Galbiati告诉 Phys.org。“值得注意的是，合作中的一组年轻研究人员如何能够利用该设备为暗物质搜索提取最佳极限，这些暗物质搜索不属于实验的原始范围。如果有的话，这个小组的聪明才智和决心应该归功于这一重要结果。
理论预测表明，暗物质相互作用极为罕见，比探测器和周围环境中物质放射性引起的相互作用低几个数量级。因此，为了可靠地搜索暗物质相互作用，研究人员必须能够抑制这些混杂的环境信号，称为放射性背景。
DarkSide实验专门使用高贵目标搜索暗物质相互作用，特别是在零下近200摄氏度的低温下液化的氩气。贵金属液体是寻找稀有物理事件的理想目标，因为它们通过称为闪烁的过程发射光和通过电离释放电荷来响应粒子相互作用。
“双相时间投影室是能够测量闪烁光和电离电荷的探测器，”Gran Sasso科学研究所的研究员Paolo Agnes告诉 Phys.org。“大部分目标质量处于液态。一层薄薄的气体位于液体的顶部。探测器配备了光探测器，通常对单光子敏感。通过测量液体中产生的闪烁光，我们可以重建相互作用能量。
通过电场，DarkSide探测器内的电离电子向液态氩气表面漂移。这在液体表面产生更强的电场，使气体中这些电离电子的提取和随后加速。这些加速的电子产生第二次光暴，通常由每个提取的电子的数百个光子组成。
“通过结合闪烁和电离信号，事件顶点重建可以精度优于1厘米，从而可以非常有效地抑制某些背景，特别是来自探测器表面的背景，”Agnes解释说。“相对于其他液体，液态氩气的特权是对β和γ放射性引起的背景的非常强大的抑制，通过使用快速闪烁信号的形状可以抑制九个数量级。为了进一步降低目标固有放射性，DarkSide-50使用从CO中提取的专用批次氩气2在科罗拉多州，放射性比从大气中提取的市售氩气低1倍。
DarksSide-50探测器在意大利Gran Sasso地下国家实验室连续运行五年。在此期间收集的数据随后由研究人员进行分析，他们是DarkSide合作的一部分，以寻找暗物质相互作用。
2018年，该合作发表了首次在其双相液态氩气探测器中对暗物质进行无背景搜索的结果。通过专门关注氩闪烁，他们可以搜索WIMP的相互作用，诱导能量高于40 keV的后坐力，对应于大于20 GeV / c的WIMP质量2.
最近，探测器的潜力进一步增加，使该团队能够仅利用氩电离来搜索更轻的暗物质粒子。虽然电离通道不如闪烁通道区分有意义的信号和放射性背景，但它将收集数据的分析阈值降低到亚keV范围。
“我们付出了巨大的努力来准确表征对电子(背景)和核(信号)后坐力的电离响应，在如此低的能量范围内鲜为人知，”Laboratoire Astroparticule et Cosmology CNRS / Paris 7的研究员Davide Franco告诉 Phys.org。“2021年在这个方向上所做的工作使探测器能够被校准到几十eV]，这是最近结果的关键因素。此外，这项工作扩展了下一代50吨LAr探测器(DarkSide-20k)的潜力，通过原子核的相干弹性散射来检测核心坍缩超新星中微子。
在他们之前的一项研究中，于 2023 年 20 月发表在《物理评论 D》上，DarkSide 研究人员准确地模拟了所有背景成分，与之前探测器材料筛选工作的预期速率非常吻合。总的来说，这些工作提高了他们对探测器的整体理解，提供了宝贵的见解，为DarkSide-1k的创建提供了信息，DarkSide-000k是一种更先进的探测器，其目标比DarkSide-50大<>倍。
该团队最近寻找暗物质 - 核子相互作用的一个关键新颖之处在于，它是第一个专门搜索核反冲并伴随着液态氩中电子元件(即Migdal效应)发射的核后坐力。虽然该团队没有检测到有意义的相互作用，但他们因此能够对弱交互大质量粒子(WIMP)设定新的限制，使它们的质量降至40 MeV / c。2.
“这一结果打破了普遍认可的直接暗物质搜索范式，其中亚GeV / c2范围的灵敏度由固态技术主导，”佛朗哥解释说。“同时，与吨级液态氙探测器相比，它证明了在这样的范围内几十公斤液氩的潜力。在那些与寻找'嗜钩性'暗物质粒子相互作用(即与电子最终状态)相互作用有关的成就中，不应忘记这些成就。
DarkSide合作最近的工作代表了正在进行的WIMP探测中的一个重要里程碑，因为它是第一次直接搜索被解释为可能的暗物质候选者的无菌中微子。目前，全球氩暗物质合作组织正在建造DarkSide-20K，这将是迄今为止最先进的探测器，总目标质量为50吨液态氩气。
“我们设计了一个探测器，对于100吨年的暴露，应该在0.2吨基准体积内看到<20.2个背景事件(错误识别的电子反冲(ER)和未标记的中子诱导核反冲(NR))，加上预期的1.7±0.3事件来自大气中微子相干散射产生的核后坐力不可避免的物理背景(”大气中微子雾“)，“普林斯顿大学研究员克劳迪奥·萨瓦雷斯告诉 Phys.org。在探测器中观察到的统计上显着的过量事件将成为潜在的暗物质发现。DarkSide-20k被设计为对标准WIMP最敏感，质量超过100 GeV / c。2.尽管如此，对于DarkSide-50，我们将利用电离通道对质量低至数十MeV/c的轻暗物质候选者进行搜索。2."
Galbiati，Agnes，Franco，Savarese和他们的同事现在正在评估DarkSide-20K探测器的灵敏度，希望它能让他们进一步改善对sub-GeV暗物质的现有限制。同时，他们正在设计DarkSide-LowMass，这是一项新的专门实验，专门用于寻找轻暗物质。
“这种新设备建立在DarkSide-50和DarkSide-20k的技术突破之上，并将其灵敏度扩展到'太阳中微子雾'，这意味着它非常敏感，以至于太阳核心中产生的中微子成为主要的探测器背景，”Savarese说。“详细介绍DS-LM概念设计及其在暗物质参数空间中的范围的研究最近已发表在arXiv上，目前正在审查以发表在物理评论D上。
DarkSide-LowMass探测器将是一个双相时间投影室，包含从地下提取的1.5吨氩气的有效质量。该氩气将经历活性同位素纯化过程，其含量应降低39Ar再增加10倍。
与DarkSide-50和DarkSide-20k探测器相比，DarkSide-LowMass将具有极轻的时间投影室结构，预计由于探测器材料中的杂质而降低伽马活性。它还将采用新的低门槛伽马否决制度，旨在进一步抑制剩余背景率。
“额外的研究和技术发展将允许在第一次科学运行后的第二阶段实验中提高DS-LM对亚GeV候选者的敏感性，”Savarese补充说。“这些努力旨在通过增加每单位沉积能量的电荷读数量来增强信号，并降低探测器能量阈值。从本质上讲，DS-LM的强大之处在于其无与伦比的低背景事件率以及利用新技术增强DM信号的敏捷性。前方的道路是明确的，我发现能够将科学的界限推向新的长度真的很令人兴奋。
