ZEPLIN-III - ZEPLIN-III
O experimento de matéria escura ZEPLIN-III tentou detectar WIMPs galácticos usando um alvo de xenônio líquido de 12 kg. Operou no Laboratório Subterrâneo de Boulby (Nordeste da Inglaterra, Reino Unido) no período 2006-2011. Este foi o último de uma série de experimentos baseados em xenônio no programa ZEPLIN originalmente desenvolvido pela UK Dark Matter Collaboration (UKDMC). O projeto ZEPLIN-III foi liderado pelo Imperial College London e também incluiu o Rutherford Appleton Laboratory e a University of Edinburgh no Reino Unido, bem como o LIP-Coimbra em Portugal e o ITEP-Moscow na Rússia. Ele descartou seções transversais para espalhamento elástico de WIMPs fora dos núcleons acima de 3,9 × 10 −8 pb (3,9 × 10 −44 cm 2 ) das duas corridas científicas conduzidas em Boulby (83 dias em 2008 e 319 dias em 2010/11) .
Os experimentos de pesquisa direta de matéria escura procuram colisões extremamente raras e muito fracas que devem ocorrer entre as partículas frias de matéria escura que se acredita permear nossa galáxia e os núcleos de átomos no meio ativo de um detector de radiação. Essas partículas elementares hipotéticas poderiam ser Partículas Massivas com Interação Fraca , ou WIMPs, pesando apenas alguns prótons ou vários núcleos pesados. Sua natureza ainda não é conhecida, mas nenhum candidato sensato permanece dentro do Modelo Padrão da física de partículas para explicar o problema da matéria escura.
Tecnologia de detecção
Gases nobres condensados, principalmente xenônio líquido e argônio líquido, são excelentes meios de detecção de radiação. Eles podem produzir duas assinaturas para cada interação de partícula: um rápido flash de luz ( cintilação ) e a liberação local de carga ( ionização ). No xenônio bifásico - assim chamado por envolver as fases líquida e gasosa em equilíbrio - a luz de cintilação produzida por uma interação no líquido é detectada diretamente com tubos fotomultiplicadores ; os elétrons de ionização liberados no local de interação são levados até a superfície do líquido sob um campo elétrico externo e, subsequentemente, emitidos em uma fina camada de vapor de xenônio. Uma vez no gás, eles geram um segundo pulso de luz maior ( eletroluminescência ou cintilação proporcional), que é detectado pelo mesmo conjunto de fotomultiplicadores. Esses sistemas também são conhecidos como 'detectores de emissão' de xenônio.
Esta configuração é a de uma câmara de projeção de tempo (TPC); permite a reconstrução tridimensional do local de interação, uma vez que a coordenada de profundidade (z) pode ser medida com muita precisão a partir da separação de tempo entre os dois pulsos de luz. As coordenadas horizontais podem ser reconstruídas a partir do padrão de acerto na (s) matriz (s) fotomultiplicadora (s). Criticamente para pesquisas WIMP, a razão entre os dois canais de resposta (cintilação e ionização) permite a rejeição dos fundos predominantes para pesquisas WIMP: radiação gama e beta de radioatividade de traços em materiais detectores e arredores imediatos. Os eventos candidatos WIMP produzem razões de ionização / cintilação mais baixas do que as interações de fundo mais prevalentes.
O programa ZEPLIN foi o pioneiro no uso da tecnologia de duas fases para pesquisas WIMP. A técnica em si, no entanto, foi desenvolvida pela primeira vez para detecção de radiação usando argônio no início dos anos 1970. Lebedenko, um de seus pioneiros no Instituto de Física de Engenharia de Moscou , esteve envolvido na construção do ZEPLIN-III no Reino Unido em 2001. Desenvolvido junto com ele, mas em uma escala de tempo mais rápida, o ZEPLIN-II foi o primeiro detector WIMP a operar no mundo (2005). Essa tecnologia também foi adotada com muito sucesso pelo programa XENON . O argônio de duas fases também foi usado para pesquisas de matéria escura pela colaboração WARP e ArDM . A LUX está desenvolvendo sistemas semelhantes que estabeleceram limites aprimorados.
História
A série de experimentos ZEPLIN ( ZonEd Proportional cintillation in LIquid Noble gas ) foi um programa progressivo desenvolvido pela UK Dark Matter Collaboration usando xenônio líquido. Ele evoluiu juntamente com o programa DRIFT , que promoveu o uso de TPCs preenchidos com gás para recuperar informações direcionais sobre o espalhamento WIMP. No final da década de 1980, o UKDMC explorou o potencial de diferentes materiais e técnicas, incluindo LiF criogênico, CaF 2 , silício e germânio, dos quais surgiu um programa em Boulby baseado em cintiladores NaI (Tl) em temperatura ambiente . A mudança subsequente para um novo material de destino, o xenônio líquido, foi motivada pela percepção de que os alvos líquidos nobres são inerentemente mais escaláveis e poderiam atingir limites de energia mais baixos e melhor discriminação de fundo. Em particular, as camadas externas do alvo em massa, mais afetadas por fundos externos, podem ser sacrificadas durante a análise de dados se a posição das interações for conhecida; isso deixa um volume fiducial interno com taxas de fundo potencialmente muito baixas. Esse efeito de autoproteção (aludido pelo termo 'zoneado' no acrônimo ZEPLIN inventado) explica o ganho mais rápido de sensibilidade desses alvos em comparação com tecnologias baseadas em uma abordagem modular adotada com detectores de cristal, onde cada módulo traz seu próprio fundo.
ZEPLIN-I , um alvo de xenônio líquido de 3 kg, operado em Boulby desde o final dos anos 1990. Ele usou discriminação de forma de pulso para rejeição de fundo, explorando uma pequena mas útil diferença entre as propriedades de tempo da luz de cintilação causada por WIMPs e interações de fundo. Em seguida, vieram os sistemas de duas fases ZEPLIN-II e ZEPLIN-III, que foram projetados e construídos em paralelo na RAL / UCLA e no Imperial College , respectivamente.
ZEPLIN-II foi o primeiro sistema de duas fases implantado para pesquisar matéria escura no mundo; consistia em um alvo de xenônio líquido de 30 kg coberto por uma camada de gás de 3 mm em uma chamada configuração de três eletrodos: campos elétricos separados foram aplicados à maior parte do líquido (alvo WIMP) e à região de gás acima dele por usando um eletrodo extra por baixo da superfície do líquido (além de uma grade de ânodo, localizada acima do gás, e um cátodo, no fundo da câmara). No ZEPLIN-II, um arranjo de 7 fotomultiplicadores visualizou a câmara de cima na fase gasosa.
O ZEPLIN-III foi proposto no final da década de 1990, baseado parcialmente em um conceito semelhante desenvolvido no ITEP e construído pelo Prof. Tim Sumner e sua equipe no Imperial College. Foi implantado no subsolo em Boulby no final de 2006, onde operou até 2011. Era uma câmara de dois eletrodos, onde a emissão de elétrons no gás era obtida por um campo forte (4 kV / cm) no volume líquido, em vez de um eletrodo adicional. A matriz fotomultiplicadora continha 31 detectores de fótons visualizando o alvo WIMP de baixo para cima, imerso no xenônio líquido frio.
ZEPLIN – II e –III foram propositadamente projetados de maneiras diferentes, de modo que as tecnologias empregadas em cada subsistema pudessem ser avaliadas e selecionadas para o experimento final proposto pelo UKDMC: um alvo de xenônio em escala de tonelada ( ZEPLIN-MAX ) capaz de sondar a maior parte do espaço de parâmetros favorecido pela teoria naquele ponto (1 × 10 -10 pb), embora este último sistema nunca tenha sido construído no Reino Unido por falta de financiamento.
Resultados
Embora o alvo de xenônio líquido ZEPLIN-III tenha sido construído na mesma escala de seus predecessores ZEPLIN, ele alcançou melhorias significativas na sensibilidade WIMP devido ao fator de discriminação mais alto alcançado e a um fundo geral mais baixo. Em 2011, publicou os limites de exclusão sobre a seção transversal de espalhamento elástico WIMP-nucleon independente de spin acima de 3,9 × 10 -8 pb para uma massa WIMP de 50 GeV. Embora não seja tão rigoroso quanto os resultados do XENON100 , isso foi obtido com uma massa fiducial 10 vezes menor e demonstrou a melhor discriminação de fundo já alcançada com esses detectores. A seção transversal dependente do spin do nêutron WIMP foi excluída acima de 8,0 × 10 −3 pb. Ele também descartou um modelo de espalhamento WIMP inelástico que tentou reconciliar uma afirmação positiva do DAMA com a ausência de sinal em outros experimentos.
Referências
links externos
Coordenadas : 54,5534 ° N 0,8245 ° W 54 ° 33 12 ″ N 0 ° 49 28 ″ W /