А.Е. Большаков

EDELWEISS‑II

Введение

    Существуют неоспоримые экспериментальные факты, свидетельствующие в пользу того, что значительная часть вещества во Вселенной не излучает электромагнитное излучение, и, поэтому, невидима. Однако эта материя взаимодействует с помощью гравитации с обычным веществом, в связи с чем её называют «темной материей». Далее пойдет речь об экспериментах по поиску темной материи, а конкретно об эксперименте EDELWEISS (Experience pour DEtecter Les Wimps En Site Souterrain) по поиску WIMP.

WIMP

    Одним из наиболее вероятных кандидатов на роль небарионной холодной темной материи является класс слабовзаимодействующих массивных частиц, объединенных под общим названием WIMP (Weakly Interacting Massive Particles). Помимо гравитационного взаимодействия, эти частицы могут взаимодействовать с обычным веществом только слабым образом, и именно поэтому их сложно обнаружить. WIMP, в частности, появляются при суперсимметричном расширении стандартной модели. Наиболее вероятными кандидатами на роль темной материи из числа WIMPявляются нейтралино – линейные комбинации суперпартнеров фотона и хигсовских бозонов. Область масс нейтралино лежит от 30 до 10⁴ Гэв. Также темная материя, возможно, состоит из снейтрино и гравитино.

Методы детектирования

    Принципиально существуют две возможности обнаружения WIMP: прямое детектирование, а также косвенное – когда ищут продукты их аннигиляции. WIMP могут аннигилировать по следующим каналам реакций:

χχ → l l, qq, W⁺W^–, ZZ⁰,

где χ – нейтралино, l – лептоны, q – кварки, W, Z – бозоны слабого поля.
    WIMPмогут накапливаться внутри массивных объектов, таких как Солнце, Земля и галактический центр. В случае аннигиляции с образованием нейтрино сигнал может иметь выраженную направленность на эти объекты. Энергия возникающих нейтрино достаточна для их регистрации с помощью наземных нейтринных телескопов. К сожалению, предсказываемая частота таких событий составляет менее нескольких событий на килотонну детектора в год. До настоящего времени таких достоверных и модельно-независимых событий не обнаружено. Кроме нейтрино, в процессе аннигиляции частиц темной материи могут возникать γ‑кванты больших энергий. Детектирование таких космических γ‑квантов позволило бы сделать заключение об обнаружении аннигиляции WIMP. В настоящее время существует много экспериментов по непрямому поиску темной материи, таких как EGRET, GLAST, PAMELA, Amanda, Baikal.
    Прямой поиск частиц темной материи заключается в детектировании ядер отдачи, образующихся в результате рассеяния WIMP на ядрах обычного вещества. В большинстве современных космологических моделей частицы темной материи составляют сферическое гало с плотностью, пропорциональной квадрату расстояния до центра галактики. Оцениваемая плотность в земных пределах составляет ~ 0,3 ГэВ/см³. Существование частиц темной материи вблизи Земли дает возможность детектировать их прямое рассеяние на ядрах вещества детектора. Регистрация ядер отдачи от WIMP осуществляется с помощью измерения вызываемой в детекторе ионизации света или фононного сигнала (или их комбинаций). На рис. 1 графически изображены методы и материалы детекторов, используемые при прямом детектировании WIMP:

Рис. 1. Принципиальные методы прямого детектирования WIMP и используемые экспериментальные методики. Рисунок взят из работы [1].

    Так как выход ионизации и света для электронов и ядер отдачи обычно различен, использование нескольких каналов измерений позволяет существенно снизить фон. В настоящее время существует большое количество экспериментов по прямому поиску темной материи, использующих эти методы.

Эксперимент по поиску слабовзаимодействующих массивных частиц EDELWEISS

    Эксперимент EDELWEISS (Experience pour DEtecter Les Wimps En Site Souterrain) предназначен для прямого поиска слабовзаимодействующих массивных частиц, являющихся кандидатами на роль небарионной темной материи во Вселенной. Вследствие того, что предсказываемая частота подобных событий составляет менее одного события на килограмм детектора в день, а величина энергии ядер отдачи менее 100 кэВ [1], эксперимент необходимо проводить в низкофоновой лаборатории с использованием специальной экспериментальной техники. Для поиска WIMP в эксперименте EDELWEISS используются криогенные болометры из сверхчистого германия, способные одновременно измерять ионизационный и тепловой сигналы. Чтобы достичь хорошего разрешения и порога измерений в тепловом канале, детекторы охлаждаются до сверхнизких температур. Для подавления фона от естественной радиоактивности и космических мюонов в эксперименте предусмотрены пассивная и активная защиты, окружающие экспериментальную установку со всех сторон. Для снижения космогенной составляющей фона, экспериментальная установка находится в лаборатории LSM, в автомобильном туннеле Фреджус на границе Франции и Италии. В коллаборации EDELWEISS участвуют более 50 ученых из различных институтов Франции, Германии и России. Реализация эксперимента EDELWEISS разделена на два основных этапа с постепенным увеличением чувствительности к измерениям WIMP. На первом этапе – EDELWEISS-I – были использованы три германиевых детектора с массой по 320 г каждый. В EDELWEISS-II используется 28 детекторов с общей массой около 10 кг.

EDELWEISS-I

    В 1994 году были начаты исследования в первой фазе эксперимента EDELWEISS. Одной из главных задач была необходимость показать принципиальную возможность одновременного измерения ионизационного и теплового (изменение температуры детектора) сигналов с необходимым уровнем разрешения и энергетических порогов для регистрации WIMP. Для детектирования частиц темной материи в эксперименте использовались криогенные германиевые болометры массой 320 грамм каждый. Детекторы охлаждались в криостате растворения* до температуры около 20 мК. В EDELWEISS-I было показано, что детекторы позволяют одновременно измерять ионизационный и фононный сигналы от поглощаемых в детекторе частиц. Так как ионизационный выход электронов выше, чем ядер отдачи, это позволяет отобрать более чем 99.9% фоновых событий от гамма-квантов и электронов при энергиях свыше 15 кэВ [1]. Для дальнейшего снижения фона в эксперименте была предусмотрена пассивная защита толщиной в 10 см меди и 15 см свинца. Сам криостат сделан, в основном, из сверхчистой меди. Внутри криостата для защиты от радиоактивного фона от электроники был предусмотрен 7 см слой из свинца. Вокруг криостата была организована система циркуляции азота, что позволяло уменьшить фон от радона. Для защиты от нейтронного фона в эксперименте была предусмотрена защита из полиэтилена толщиной 30 см. Чистота конструкционных материалов и элементов защиты была проверена на низкофоновом германиевом детекторе.

Рис. 2. Фотографии детекторов (слева) и схема экспериментальной установки EDELWEISS-I (справа). Рисунок взят из работы [1].

    На протяжении 4 месяцев удалось сохранять стабильные условия измерений, что позволило набрать статистику в 62 кг·сутки. Результаты обработки этих данных дали лучшее на тот момент ограничение на сечение WIMP-нуклон. (сечение слабого взаимодействия WIMP и нуклонов).

EDELWEISS‑II

    Набор статистики в первой фазе эксперимента EDELWEISS‑I был завершен к 2004 году. Полученные результаты показали перспективность использования криогенных германиевых детекторов для поиска темной материи. Для дальнейшего повышения чувствительности эксперимента необходимо было создать установку, способную работать с большей массой детекторов. В марте 2004 года начались работы по второй фазе эксперимента EDELWEISS . Был разработан новый криостат растворения, способный охлаждать до 120 детекторов общей массой до 40 кг до температуры менее 20 мК. Стабильность температурного режима составляет менее 0,01 мК. В эксперименте EDELWEISS‑II были существенно улучшены фоновые условия [2]. Во-первых, с учетом моделирования нейтронного фона, была существенно повышена эффективность защиты от нейтронов в эксперименте. Во-вторых, было создано так называемое мюонное вето, позволяющее производить отделение полезных событий от космических лучей и вызванных ими вторичных частиц, в особенности быстрых нейтронов. Внутрь защиты детекторов подавался воздух, очищенный от радиоактивного ²²²Rn до уровня ниже 10 мБк/м³. Также были предприняты специальные меры защиты детекторов от дочерних продуктов распада радона на этапе их производства и транспортировки. Вся экспериментальная установка была помещена в чистую комнату класса 1000.
    Для детектирования частиц темной материи в эксперименте используются криогенные германиевые болометры нескольких типов. Основным типом детекторов, используемом в EDELWEISS‑II, являюется германиевый детектор типа NTD (Nuclear Triode Detector) (рис. 3). Детекторы именно этого типа использовались в первой фазе эксперимента.

Рис. 3. Схема NTD детектора. Рисунок взят из презентации Silvia Scorza http://slideplayer.us/slide/513849/.

    Детекторы изготовлены из сверхчистого германия, они имеют массу около 300‑400 граммов и сделаны в виде цилиндра со скошенными краями диаметром 70 мм и высотой 20 мм. На боковой поверхности детекторов предусмотрен охранный электрод (рис. 4), позволяющий отделять фоновые события, возникающие из-за радиоактивного загрязнения оправок детекторов. Вследствие этого эффективный объем детектора составляет 57% от объема кристалла. Ионизационный сигнал снимается с алюминиевых электродов толщиной в 60‑100 нм (расположенных в верхней и нижней частях детектора). Между электродом и кристаллом детектора предусмотрен слой из аморфного германия или кремния толщиной 60‑70 нм. Использование данного слоя позволяет уменьшить эффект деградации детекторов и снижает число фоновых поверхностных событий. Рабочее напряжение между электродами составляет величину менее 10 В. Использование столь малого напряжения необходимо при работе при сверхнизких температурах. Длительность снимаемого сигнала для приложенного напряжения 6 В составляет ~ 3 мкс.

Рис.4 Внешний вид NTD германиевого детектора, используемого в эксперименте EDELWEISS. Рисунок взят из работы http://212.71.251.65/aspera//index.php?option=com_content&task=view&id=36&Itemid=73

    Температурный сигнал ∆T позволяет определить энергию ∆E, которую частица оставила в детекторе. Эти величины связаны соотношением

ΔE = C(T) ΔT,

где C(T) – теплоемкость детектора. Теплоемкость при низких температурах пропорциональна температуре в третьей степени, что позволяет добиться хорошего разрешения в 1 – 2 кэВ. В EDELWEISS‑II измерения производятся при температуре детекторов 20 мК. В этих условиях частица с энергией порядка 10 кэВ вызывает нагревание кристалла на величину ~ 1 мкК. Изменение температуры определяется с помощью измерения сопротивления. Для этого предусмотрен термистор, представляющий собой германиевую пластину размером 7 мм³, приклеенную к детектору. Германиевый кристалл, используемый для термистора, для получения нужных свойств был подвергнут определённым воздействиям и изменениям в сильном нейтронном потоке (Neutron Transmutation Doped Gethermistances или NTD). Изменение температуры в кристалле вызывает изменение сопротивления термистора, описываемое следующей функцией R(T):

R(T) = R₀exp(T₀/T),

где R₀ – параметр термистора (обычно несколько Ом), а T₀ – характеристическая температура (порядка нескольких Кельвин). Для температуры 20 мК типичное сопротивление NTD термистора составляет несколько МОм.
    Регистрация событий в детекторе происходит по двум каналам одновременно: по ионизационному и температурному. Разница в ионизационном выходе ядер отдачи и электронов (от e^±и γ) позволяет эффективно отделять последние, являющиеся основными фоновыми событиями при поиске WIMP. Однако в поверхностном слое детектора заряд от проходящей частицы может собираться не полностью. Поэтому ионизационный выход таких событий может сымитировать искомый сигнал от ядер отдачи. Дискриминация этих событий является необходимым фактором увеличения чувствительности эксперимента. В EDELWEISS были разработаны два типа позиционно‑чувствительных детекторов, позволяющих производить выделение подобных событий. Первый детектор такого типа использует два термисторных слоя NbSi, расположенных в его торцах. Способность идентифицировать поверхностные события возникает из сравнения формы тепловых сигналов на разных сторонах детектора. Вторым типом детекторов являются детекторы Ge/NTD/INTERDIGIT (ID детектор). Для снятия теплового сигнала в детекторе используется стандартный NTD термистор (рис. 5).
    В эксперименте EDELWEISS‑II предусмотрены активная и «эшелонированная» пассивная защиты, позволяющие значительно подавить фон от естественной радиоактивности и космических лучей (рис. 6). Для снижения гамма фона, возникающего из естественной радиоактивности в конструкционных материалах и горных породах, детекторы окружены 20 см слоем свинца общей массой 36 тонн. Внутренняя поверхность защиты сделана из низкофонового свинца:

Рис.5 Фотография INTERDIGIT детектора в оправе, вид сверху. Рисунок взят из работы [1].

Рис.6 Схема защиты от фона, применяемая в эксперименте EDELWEISS-II. Рисунок взят из S.Scorza, The EDELWEISS-II experiment, arXiv:0806.3147v1.

    Быстрые нейтроны представляют большую опасность для эксперимента, так как в результате их рассеяния возникают ядра отдачи, как и при ожидаемом рассеянии WIMP‑Ge. Для защиты от таких нейтронов детекторы окружены 50 см слоем полиэтилена общей массой около 30 тонн. Нейтроны могут возникать и в свинцовой защите при прохождении космических мюонов. Для дискриминации таких событий в эксперименте предусмотрено активное мюонное вето. Оно представляет собой сцинтилляционные пластины толщиной 5 см, общей площадью около 100 м². Эффективность дискриминации вето составляет более 98%.

Получение данных

    Как было сказано ранее, необходимо получить и преобразовать для дальнейшего анализа по крайней мере три независимых сигнала от каждого из детекторов. Для получения сигнала от детекторов была разработана специальная система усиления и оцифровки. Некоторые части этой системы работают при сверхнизких температурах. Конфигурация электроники была выбрана с учетом требований к фоновым условиям эксперимента. Первичным фактором при обработке является отбор сходных событий. С течением времени, при приложенном напряжении, в детекторе образуются объемные заряды, вследствие чего свойства детектора изменяются. Со временем ухудшается разрешение и эффективность сбора заряда. Разрешение детектора полностью восстанавливается после облучения детекторов источником ионизирующего излучения при заземленных электродах. Вследствие этой особенности детекторов необходимо производить периодическую «регенерацию» детекторов в EDELWEISS. Для проведения такой процедуры в эксперименте предусмотрена возможность помещать источники ⁶⁰Co внутрь защиты с помощью электромоторов, двигающих эти источники. При этом используются два источника ⁶⁰Co с активностью в 150 и 180 кБк, установленных на противоположных сторонах криостата.

Результаты

    Эксперимент EDELWEISS-II начал набор данных в 2006 году. Вначале были выполнены тестовые и калибровочные измерения с девятью германиевыми болометрами. В дальнейшем количество детекторов увеличивалось, а их общая масса составила около 10 кг. Были получены первые результаты на сечение рассеяния WIMP‑нуклон [3], в том числе и с новыми ID детекторами, позволяющими производить активный отбор поверхностных событий.
    Энергетические пороги, с которыми ведется набор данных в ионизационном и тепловом каналах, составляют 1,5‑3 кэВ. Поиск событий WIMP осуществляется с порога 10‑30 кэВ. Конкретный порог определяется из калибровок с γ‑источником и соответствует подавлению 99,9% электронных событий.
    В области поиска WIMP было зарегистрировано 3 события. На рис. 7 слева показаны энергетический спектр данных событий и расчетная форма спектра от WIMP для сечения рассеяния WIMP-нуклон σ = 10⁻⁵ пб. Для получения верхнего ограничения на сечение рассеяния WIMP‑нуклон при неизвестном уровне фона использовался метод оптимальных интервалов. Из результатов аппроксимации было получено ограничение на сечение рассеяния WIMP‑нуклон, представленное на рис. 7 справа:

Рис. 7. Первые результаты измерений с NTD детекторами в EDELWEISS‑II. Рисунок взят из работы [1].

    При массе WIMP, равной 80 ГэВ, величина ограничения имеет значение 5·10⁻⁷ пб, что более чем в три раза лучше ограничения, полученного в первой фазе эксперимента. Тем не менее, количество фоновых событий в NTD детекторах слишком велико для достижения уровня чувствительности, необходимого для детектирования WIMP согласно предсказаниям некоторых SUSY моделей (10⁻⁸ ~ 10⁻⁹ пб).

Литература

1. А.В. Лубашевский. Результаты поиска WIMP в эксперименте EDELWEISS. Автореферат диссертации на соискание ученой степени к.ф.м.н., ОИЯИ, Дубна, 2010.
2. EDELWEISS Collaboration. A search for low-mass WIMPs with EDELWEISS-II heat-and-ionization detectors. Phys. Rev. D 86, 051701(R) (2012)
3. E. Armengaud, et al. First results of the EDELWEISS-II WIMP search using Ge cryogenic detectors with interleaved electrodes. Phys.Lett.B 687 (2010) 294-298.