|
Л.Ю. Овчинникова Детекторы для регистрации темной материи на основе сцинтилляционных кристаллов и низкотемпературных болометровТемная материя Космологические данные, полученные за последнее время, указывают на
существование т.н. тёмной материи и тёмной энергии. Согласно современным
представлениям протоны, нейтроны (в составе ядер) и электроны составляют ~5% от
энергии (массы) Вселенной. А 90-95% приходится на т.н. тёмную материю и тёмную
энергию [1-3]. В результате исследования скоплений галактик и галактических
ротационных кривых была выдвинута гипотеза существования темной материи, то есть
материи, которая не взаимодействует с электромагнитным излучением, не испускает
его и не поглощает. Криогенный болометр
Одна из основных методик детектирования ТМ - использование криогенных болометров [6], работающих при температуре ниже 100 мК, которые детектируют тепло, выделяющиеся при столкновении частицы темной материи с атомами поглотителя (рис. 1). Охлаждение способствует увеличению чувствительности и снижению влияния тепловых шумов. Болометр
Принцип действия болометра (рис. 2) основан на измерении электрического сопротивления термочувствительного элемента вследствие нагревания под воздействием поглощаемого потока электромагнитной энергии [4,5]. Основной компонент болометра - очень тонкая пластинка (например, из платины или другого проводящего материала), зачернённая для лучшего поглощения излучения. Из-за малой толщины пластинка под действием излучения быстро нагревается и её сопротивление повышается. Сцинтиллятор преобразует энергию теряемую взаимодействующей частицей в световые фотоны регистрируемые затем болометром. CDMS (Cryogenic Dark Matter Search)CDMS - это серия экспериментов, разработанных для прямого детектирования тёмной материи в форме WIMP(слабо взаимодействующих массивных частиц). CDMSсостоит из тридцати полупроводниковых детекторов (рис. 3), расположенных под землей на глубине 747 метров и охлажденных до низкой температуры [7,8]. Рассеяние вимпов на ядрах вещества детекторов должно давать электрический и тепловой сигналы, параметры и временные соотношения которых позволяют отличить их от фона. Этот эксперимент более чувствительный к взаимодействию вимпов с земным веществом. За период с 2007 по 2008 годы в рамках экспериментов удалось зарегистрировать два события, которые можно расценить как случаи регистрации вимп-частиц. При этом прогнозируемая вероятность регистрации подобных событий была оценена в пять событий за два года.
CUORE (Cryogenic Underground Observatory for Rare Events)
CUORE- эксперимент по поиску двойного безнейтринного β-распада с помощью массива полупроводниковых болометров [17,18]. На рис. 4 приведена схема этого эксперимента в разрезе. CRESST (Cryogenic Rare Event Search with Superconducting Thermometers)
Процессы взаимодействия вимпов с ядрами очень редки, а энергия отдачи ядра в процессе упругого рассеяния окло 10 кэВ, что значительно усложняет задачу детектирования. Для повышения чувствительности установки, использовались детекторы с мишенью из сцинтиллирующего вещества (CaWO4). В качестве криогенных калориметров использовались кристаллы CaWO4, которые имеют вид цилиндров диаметром и высотой в 40 мм и массой в 300 г. Основная часть энергии, оставляемой налетающей частицей тёмной материи в кристалле мишени, преобразуется в фононы. Которые детектируются болометром на сверхпроводящем переходе (БСП) тонкой вольфрамовой плёнкой, температура которой стабилизируется на уровне, соответствующем переходу в сверхпроводящее состояние. В таком режиме незначительное повышение температуры, вызванное поглощением фононов, ведёт к заметному изменению сопротивления, а амплитуда этого колебания становится мерой энергии. Для отбора интересующего события из фона используют сцинтилляционные свойства CaWO4. Небольшая часть энергии, оставляемой вимпом, преобразуется в сцинтилляционный свет, который также регистрируется БСП, соединённым со светопоглотителем. Отношение энергий, измеренных детектором излучения и детектором фононов, зависит от типа взаимодействия в кри- сталле. Детектирующий модуль CRESST-II (рис. 5). Для того, чтобы сцинтилляционный свет собирался максимально эффективно модуль охватывается светоотражающей полимерной фольгой [9,10]. Защита модулей от фонового излучения осуществляется слоем меди и свинца, поглощающего гамма-излучение, естественную защиту обеспечивает и мощный слой горных пород над Лабораторией Гран-Сассо. Экспериментальные данные (рис. 7), были собраны восемью модулями CRESST-IIв период с июля 2009-го по март 2011-го. За это время было зарегистрировано 67 событий. Вероятность того, что все они относятся к фоновым, оказалась довольно низкой: уровень статистической ошибки превышается на 4σ.
EDELWEISS (Experience pour DEtecter Les Wimps En Site Souterrain)В эксперименте EDELWEISS WIMPы можнообнаружить при их упругом рассеянии на ядрах вещества. Схема взаимодействия WIMP с ядрами вещества показана на рис. 8.
Детектор состоит из газовой камеры с объемом в 50 литров, детектора и блока электроники (рис. 9). Специальная обработка материалов камеры и использование соединений в виде металлических прокладок из индия позволили существенно понизить собственный фон детектора.
EURECA (European Underground Rare Event Calorimeter Array)EURECA – подземный калориметр для поиска темной материи состоящий из криогенного детектора и вещества – поглотителя, массой около тонны с улучшенными возможностями устранения шумов [5,13]. В основу этого проекта легли опыт и знания, накопленные при проведении экспериментов EDELWEISSи CRESST. Сейчас он находится на стадии разработки. DAMA (DArk MAtter)
DAMA/LIBRA (1996-2002г - DAMA/NaI) – один из первых
экспериментов по поиску темной материи. Расположен в Laboratori Nazionali del Gran Sasso в Италии. Поток
космических лучей в этом эксперименте на 6 порядков меньше, чем на поверхности
Земли.
Рис. 11: Частота срабатывания детекторов в области энергий 2–6 кэВ в зависимости от времени. Показана переменная часть сигнала. По горизонтальной оси отмечен день с момента начала эксперимента DAMA/NaI; первая половина графика содержит результаты DAMA/NaI, а после перерыва показаны данные DAMA/LIBRA. Сплошная линия – синусоида с периодом 1 год и максимумами, приходящимися на 2 июня. (R.Bernabei, etal., Eur.Phys.J. C56 : 333-355, 2008) Для изоляции детектора от радиоактивного фона каждый сцинтилляционный кристалл упакован в медный корпус, а блок с кристаллами покрыт многослойной изоляцией из радиочистых материалов [16]. Внутренности этого ящика продувались радиочистым азотом, а фоновая концентрация трудноуловимых изотопов постоянно контролировалась. Температура установки была постоянной, а чувствительность детекторов регулярно контролировалась с помощью облучения калиброванными источниками. Эксперимент DAMA/LIBRA измеряет количество и энергию сцинтилляционных вспышек внутри детектора. В среднем происходит 1–2 вспышки в день на килограмм веса сцинтилляторов и на килоэлектронвольт энергии. Это значение остается постоянным во времени за исключением области малых энергий, 2–6 кэВ, в которой наблюдаются слабые годичные колебания. ВыводыВ последние годы в экспериментах CDMSи CRESST были получены результаты указывающие на некоторую возможность существования тёмной материи. Однако необходимо проведение дальнейших более точных исследований.
|
