Добавлен: 12.12.2023
Просмотров: 1272
Скачиваний: 54
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
NaI(Tl) выращиваются с типичным уровнем содер-
жания калия менее 0,00005%, что позволяет использовать их в низкофоновых приме- нениях [36].
Данный вид детекторов использовался в первом проекте DAMA и используется до сих пор не только в экспериментах по поиску вимпов, но и таких как: 1) поиск спон- танного перехода ядер в сверхплотное состояние; 2) сценарии нарушения принципа Паули в 123I и 23Na; 3) поиск солнечных аксионов; 3) поиск возможных видимых ка- налов распада нуклона, ди-нуклона и три-нуклона; 4) поиск экзотического вещества;
5) спонтанное излучение тяжелых кластеров и т.д.
××
DAMA / LIBRA использует около 250 кг сверхрадиочистых детекторов NaI(Tl), в количестве 25 штук по 9.7 кг каждый (объемом 10,2 10,2 25,4 см3), расположенных в кубе 5 на 5 [32]. Вместе с детекторам в кубе размещены ФЭУ со световодами (рис. 20), длинной около 10 см [32], для регистрации вспышек. ФЭУ изготовлены из уль- тра низкофонового стекла. Материалы, использовавшиеся при создании ФЭУ были выбраны на основе различного вида измерений и, в частности, измерения на образ- цах были также проведены с низкофоновым детектором DAMA / Ge, расположенным глубоко под землей.
Рис. 20: Внешний вид низкофонового ФЭУ ис- пользующийся в DAMA / LIBRA. [32]
Рис. 21: Установка детекторов внутрь ку- ба. [32]
В DAMA / LIBRA позаботились о высоком уровне защиты от космических лучей и естественного фона, источниками которых являются радиоактивные изотопы. Для защиты детекторов, каждый ФЭУ заключен в герметичный медный кирпич, который поддерживается при небольшом избыточном давлении. Все медные блоки были сде- ланы с целью максимального уменьшения радиоактивности от загрязнителей, в част- ности, от таких как 238U, 232Th и 40K.
Сам куб, в котором расположены детекторы также помещен в медный блок. На внешней стороне медного блока, располагается пассивный щит состоящий из бескис- лородной (OFCH) и низкорадиоактивной меди толщиной в 10 см, далее следует слой из 15 см низкого радиоактивного свинца, 1,5 мм кадмия и слой в 10-40 см из полиэти- лена / парафина (толщиной оставшегося свободного места). Вся конструкция окру- жена слоем камня толщиной в 1 м.(Рис.19)
Мы кратко ознакомимся с результатами эксперимента DAMA / LIBRA-phase1 и не будем вдаваться в глубокий анализ. Для интересующихся, с подробным анализом мож- но
ознакомиться в [34, 33].
На рис.22 представлена суммарная статистика экспериментов DAMA / NaI и DAMA
/ LIBRA в энергетическом интервале 2-6 кэВ для одиночных ударов4. На график на- ложена синусоидальная кривая, со следящими параметрами:
f (t) = A cos ω(t −t0), t0 = 152.5 сут., T =
2π
= 1 г.;
ω
где A — амплитуда модуляции, полученная по лучшему расчету за 13 годовых циклов. Гипотеза об отсутствии модуляции данных могут быть отброшены [37, 38]. После со- ответствующей модуляции и для периода, а также с учетом тех интервалов, в которых ожидается появление частиц ТМ, мы получим следующее [35]:
A = (0.0116 ±0.0013) чос/кг/кэВ, T = (0.999 ±0.002) г., t0 = (146 ±7) сут.
где чос — число отсчетов за сутки.
Рис. 22: Суммарные экспериментальные сцинтилляционные события, измеряемые DAMA / NaI в течение семи и DAMA / LIBRA в течение шести ежегодных циклов в интервале 2-6 кэВ. [35]
Можно заметить, что по сравнению с DAMA / NaI в эксперименте DAMA / LIBRA сильно повысилась точность, что способствует получению более достоверных данных. Для того, чтобы исключить наличие годовых модуляций в другой энергетической области и убедиться в отсутствии значительных изменений в фоне, были проведены соответствующие измерения для энергетических зон не входящие в область поиска частиц ТМ. Это позволило исключить фоновые модуляции в широком энергетическом диапазоне, на многом меньшем, чем исследуемая область, в которой были зарегистри-
рованы искомые отклонения от фона.
4В эксперименте различались два типа сигналов — одиночные (single-hit), которые регистриро- вались только одним из 25 детекторов, и множественные (multiple-hit), которые регистрировались одновременно несколькими детекторами. Далее, для краткости мы будем называть их ОУ и МУ соот- ветственно.
Проведение анализа и расчета данных был необходим только для случаев ОУ. Дей- ствительно, поскольку вероятность того, что частиц ТМ провзаимодействует в несколь- ких детекторах одновременно, крайне мала, то всеми случаями МУ можно пренебречь и анализировать лишь статистику ОУ.
··
Суммарная экспозиция, включая данные более раннего эксперимента DAMA / NaI (0.29 т год), равна сейчас 1.17 т год, что соответствует 13 годовым циклам. Данная экспозиция на порядки превышает аналогичные экспозиции и является самой боль- шой для всех экспериментов по поиску частиц ТМ. Данные продолжают подтвер- ждать модельно независимое свидетельство существования частиц ТМ в галактиче- ском гало, которые получены на основе годовых модуляций ТМ (8.9σдоверительная вероятность для суммарной экспозиции).
Рис. 23: Область допустимых значений нуклонного сечения в зависимости от массы вимпа по результатам эксперимента DAMA / LIBRA для трех разных случаев в за- висимости от факторов закалки Na и I: 1)не учитывая направление эффекта [(зеле- ный) вертикально-заштрихованная область]; 2)включая направление эффекта [(си- ний) горизонтально-заштрихованная область)], и 3) без направления, с учетом энер- гетической зависимости фактора закалки Na и I. [35]
После модернизации установки в 2008 г., в ходе которой были улучшены ФЭУ, при- обретены новые дискретизаторы, модернизирована система DAQ (Data AcQuisition systems) и др., был проведен последний цикл (седьмой) DAMA / LIBRA-phase1, за- кончившийся в 2010 г.
После еще более значимой модернизации, проведенной в 2010 году, все ФЭУ были заменены на новые с более высокой квантовой эффективностью (QE). Что помогло увеличить чувствительность приборов и достичь высокой точности в области ниже 2 кэВ. Так же некоторые обновления были проведены и в 2012 году.
Участники проекта DAMA / LIBRA постоянно работают с целью: 1) увеличить энергия программного порога эксперимента; 2) улучшить точность исследований ча- стиц ТМ и смежных проблем астрофизики, ядерной физики и физики частиц; 3) ис- следовать другие, более экзотические проблемы. Это требует длительного и тяжелого полного рабочего дня, самоотверженную работу, надежный сбор и анализ очень круп- ных объемов данных, что участники проекта DAMA и делали все это время и будут продолжать, чтобы как можно ближе приблизиться к тайне ТМ.
жания калия менее 0,00005%, что позволяет использовать их в низкофоновых приме- нениях [36].
Данный вид детекторов использовался в первом проекте DAMA и используется до сих пор не только в экспериментах по поиску вимпов, но и таких как: 1) поиск спон- танного перехода ядер в сверхплотное состояние; 2) сценарии нарушения принципа Паули в 123I и 23Na; 3) поиск солнечных аксионов; 3) поиск возможных видимых ка- налов распада нуклона, ди-нуклона и три-нуклона; 4) поиск экзотического вещества;
5) спонтанное излучение тяжелых кластеров и т.д.
××
DAMA / LIBRA использует около 250 кг сверхрадиочистых детекторов NaI(Tl), в количестве 25 штук по 9.7 кг каждый (объемом 10,2 10,2 25,4 см3), расположенных в кубе 5 на 5 [32]. Вместе с детекторам в кубе размещены ФЭУ со световодами (рис. 20), длинной около 10 см [32], для регистрации вспышек. ФЭУ изготовлены из уль- тра низкофонового стекла. Материалы, использовавшиеся при создании ФЭУ были выбраны на основе различного вида измерений и, в частности, измерения на образ- цах были также проведены с низкофоновым детектором DAMA / Ge, расположенным глубоко под землей.
Рис. 20: Внешний вид низкофонового ФЭУ ис- пользующийся в DAMA / LIBRA. [32]Рис. 21: Установка детекторов внутрь ку- ба. [32]
В DAMA / LIBRA позаботились о высоком уровне защиты от космических лучей и естественного фона, источниками которых являются радиоактивные изотопы. Для защиты детекторов, каждый ФЭУ заключен в герметичный медный кирпич, который поддерживается при небольшом избыточном давлении. Все медные блоки были сде- ланы с целью максимального уменьшения радиоактивности от загрязнителей, в част- ности, от таких как 238U, 232Th и 40K.
Сам куб, в котором расположены детекторы также помещен в медный блок. На внешней стороне медного блока, располагается пассивный щит состоящий из бескис- лородной (OFCH) и низкорадиоактивной меди толщиной в 10 см, далее следует слой из 15 см низкого радиоактивного свинца, 1,5 мм кадмия и слой в 10-40 см из полиэти- лена / парафина (толщиной оставшегося свободного места). Вся конструкция окру- жена слоем камня толщиной в 1 м.(Рис.19)
Результаты эксперимента.
Мы кратко ознакомимся с результатами эксперимента DAMA / LIBRA-phase1 и не будем вдаваться в глубокий анализ. Для интересующихся, с подробным анализом мож- но
ознакомиться в [34, 33].
На рис.22 представлена суммарная статистика экспериментов DAMA / NaI и DAMA
/ LIBRA в энергетическом интервале 2-6 кэВ для одиночных ударов4. На график на- ложена синусоидальная кривая, со следящими параметрами:
f (t) = A cos ω(t −t0), t0 = 152.5 сут., T =
2π
= 1 г.;
ω
где A — амплитуда модуляции, полученная по лучшему расчету за 13 годовых циклов. Гипотеза об отсутствии модуляции данных могут быть отброшены [37, 38]. После со- ответствующей модуляции и для периода, а также с учетом тех интервалов, в которых ожидается появление частиц ТМ, мы получим следующее [35]:
A = (0.0116 ±0.0013) чос/кг/кэВ, T = (0.999 ±0.002) г., t0 = (146 ±7) сут.
где чос — число отсчетов за сутки. Рис. 22: Суммарные экспериментальные сцинтилляционные события, измеряемые DAMA / NaI в течение семи и DAMA / LIBRA в течение шести ежегодных циклов в интервале 2-6 кэВ. [35]
Можно заметить, что по сравнению с DAMA / NaI в эксперименте DAMA / LIBRA сильно повысилась точность, что способствует получению более достоверных данных. Для того, чтобы исключить наличие годовых модуляций в другой энергетической области и убедиться в отсутствии значительных изменений в фоне, были проведены соответствующие измерения для энергетических зон не входящие в область поиска частиц ТМ. Это позволило исключить фоновые модуляции в широком энергетическом диапазоне, на многом меньшем, чем исследуемая область, в которой были зарегистри-
рованы искомые отклонения от фона.
4В эксперименте различались два типа сигналов — одиночные (single-hit), которые регистриро- вались только одним из 25 детекторов, и множественные (multiple-hit), которые регистрировались одновременно несколькими детекторами. Далее, для краткости мы будем называть их ОУ и МУ соот- ветственно.
Проведение анализа и расчета данных был необходим только для случаев ОУ. Дей- ствительно, поскольку вероятность того, что частиц ТМ провзаимодействует в несколь- ких детекторах одновременно, крайне мала, то всеми случаями МУ можно пренебречь и анализировать лишь статистику ОУ.
··
Суммарная экспозиция, включая данные более раннего эксперимента DAMA / NaI (0.29 т год), равна сейчас 1.17 т год, что соответствует 13 годовым циклам. Данная экспозиция на порядки превышает аналогичные экспозиции и является самой боль- шой для всех экспериментов по поиску частиц ТМ. Данные продолжают подтвер- ждать модельно независимое свидетельство существования частиц ТМ в галактиче- ском гало, которые получены на основе годовых модуляций ТМ (8.9σдоверительная вероятность для суммарной экспозиции).
Рис. 23: Область допустимых значений нуклонного сечения в зависимости от массы вимпа по результатам эксперимента DAMA / LIBRA для трех разных случаев в за- висимости от факторов закалки Na и I: 1)не учитывая направление эффекта [(зеле- ный) вертикально-заштрихованная область]; 2)включая направление эффекта [(си- ний) горизонтально-заштрихованная область)], и 3) без направления, с учетом энер- гетической зависимости фактора закалки Na и I. [35]Перспективы и DAMA / LIBRA-phase2
После модернизации установки в 2008 г., в ходе которой были улучшены ФЭУ, при- обретены новые дискретизаторы, модернизирована система DAQ (Data AcQuisition systems) и др., был проведен последний цикл (седьмой) DAMA / LIBRA-phase1, за- кончившийся в 2010 г.
После еще более значимой модернизации, проведенной в 2010 году, все ФЭУ были заменены на новые с более высокой квантовой эффективностью (QE). Что помогло увеличить чувствительность приборов и достичь высокой точности в области ниже 2 кэВ. Так же некоторые обновления были проведены и в 2012 году.
Участники проекта DAMA / LIBRA постоянно работают с целью: 1) увеличить энергия программного порога эксперимента; 2) улучшить точность исследований ча- стиц ТМ и смежных проблем астрофизики, ядерной физики и физики частиц; 3) ис- следовать другие, более экзотические проблемы. Это требует длительного и тяжелого полного рабочего дня, самоотверженную работу, надежный сбор и анализ очень круп- ных объемов данных, что участники проекта DAMA и делали все это время и будут продолжать, чтобы как можно ближе приблизиться к тайне ТМ.
- 1 ... 8 9 10 11 12 13 14 15 16