Добавлен: 12.12.2023
Просмотров: 1289
Скачиваний: 54
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
частиц ТМ. [10]
опирается на попытки регистрации вторичных продуктов данного взаимодействия (на земле или в космосе). Давайте рассмотрим некоторые из экспериментов и попробуем разобраться в их методиках поиска ТМ.
EDELWEISS (Expe´ rience pour DEtecter Les Wimps En Site Souterrain) — французско- немецко-российский эксперимент целью которого является прямая регистрация сла- бовзаимодействующих массивных частиц (вимпов)2. Вимпы очень слабо взаимодей- ствуют с обычной материей (за один год можно получить лишь около десяти случаев рассеяния), поэтому данный эксперимент нужно проводить с очень малым фоновым излучением. Для этого нужно выбрать определённое место эксперимента и соответ- ствующее оборудование.
В эксперименте EDELWEISS предусмотрена активная и пассивная защита для изоляции от естественного фона, также детекторы были расположены глубоко под землей, в подземной лаборатории LSM, на юге Франции, чтобы избежать космоген- ной составляющей фона. Регистрация вимпов в детекторе осуществляется с помощью криогенных германиевых болометров. Это позволяет одновременно регистрировать два сигнала — тепловой и ионизационный. Сравнение этих двух сигналов позволяет- ся выделить искомые акты взаимодействия на ядре из общего фонового рассеивания
2Стоит заметить, что помимо вимпов,
в данном эксперименте осуществлялся и поиск аксионов [23].
Рис. 11: Основные методы детектирования темной материи . [5]
на электронах. Таким способом удалось снизить влияние фонового излучения на че- тыре порядка.
Принцип реализации эксперимента заключается в детектировании ядер отдачи, которые образуются в результате рассеяния вимпов на ядрах атомов обычного ве- щества (рис.12). На данный момент плотность темной материи в земных пределах со- ставляет около 0.3 ГэВ/см3 [26]. Наличие ТМ в области нашей планеты дает надежду на то, что все-таки удастся зарегистрировать вимпы.
Весь эксперимент можно разделить на три основных этапа, в зависимости от чув- ствительности к вимпам. В EDELWEISS-I (2004) использовались германиевые де- текторы, в количестве трех штук и общей массой около одного килограмма.
Это поз- волило определить более точно основные источники фонового излучения и найти спо- соб их нейтрализации. В EDELWEISS-II (2009) уже использовалась 28 детекторов с массой по 320 грамм, что позволило значительно увеличить эффективность работы. EDELWEISS-III — последний реализованный на данный момент этап эксперимента, который имеет уже около 40 детекторов по 800 грамм каждый.
На данном этапе, как уже отмечалось выше, использовалось всего три германиевых детектора, каждый весом 320 грамм, которые были охлаждены в криостате растворе- ния до 20 мК. Чтобы достичь таких низких температур использовалась смесь из двух изотопов гелия — 3He и 4He, с процентным содержанием в 10% и 90% соответствен- но. Криостат растворения был выбран потому что с помощью него можно было под- держивать образцы больших размеров при постоянной температуре на протяжении длительного периода времени (недели и месяцы).
Рис. 12: Прицип детектирования вимпов. Где mW , V — масса и скорость вимпа, MN
— масса ядра, ER —энергия отдачи, которая впоследствии и детектируется. [24]
В ходе проведения эксперимента было подтверждено то, что детектор способен одновременно измерять тепловой и ионизационный сигнал от поглощаемых частиц. Ввиду того, что ионизационный выход у электронов выше, чем у ядер отдачи, это поз- воляет отобрать более чем 99.9% фоновых событий от электронов и гамма-квантов при энергиях свыше 15 кэВ [12]. Для еще большей изоляции от фонового излучения, установку покрыли свинцовым щитом, толщиной 15 см, и медью толщиной 10 см. Для защиты от нейтронного фона в эксперименте была предусмотрена защита из поли- этилена толщиной 30 см. Внутри криостата, чтобы снизить радиоактивный фон, элек- троника была размещена под 7-ми сантиметровым барьером из сверхчистого свинца (арехологического), сам же криостат был сделан, по большей части, из сверхчистой меди.
Рис. 13: Фотографии детекторов (слева) и схема экспериментальной установки EDELWEISS-I (справа).
·
В течение 4-х месяцев удавалось поддерживать стабильное условия детектора. За это время удалось собрать статистику в 62 кг сут. Анализ этих результатов позволил получить самое точное на то время ограничение на сечение вимп-нуклон, хотя почти в тот же год, эксперимент CDMS-II получил в три раза более точные ограничения, благодаря возможности отделения событий электронной отдачи на основе определе- ния времени прихода фонового сигнала [10].
После окончание экспериментов EDELWEISS-I в начале 2004 года, полученные дан- ные ясно дали понять перспективность подхода с использованием криогенных де- текторов на германии. Проблема была лишь в том, что для получения более точных данных нужно было увеличить кол-во детекторов, как следствие, разработать новый криостат растворения. В марте того же года начались работы по подготовке к следую- щему этапу EDELWEISS-II. Новый криостат, разработанный специально для новой установки, мог охлаждать более 120 детекторов до температуры менее 2 мК, с улуч- шенной стабильностью температурного режима до 0.01 мК. Также была значительная повышена защита от фонового излучения нейтронов и космических лучей, с помощью мюонного вето. Во время транспортировки и установки деталей были предприняты соответствующие меры по защите от излучения, в частности от радона.
На данном этапе уже использовались несколько видов криогенных германиевых болометров, однако основным является детектор типа NTD (Nuclear Track Detector) (рис.14,15), использовавшийся еще и на первом этапе эксперимента EDELWEISS.
опирается на попытки регистрации вторичных продуктов данного взаимодействия (на земле или в космосе). Давайте рассмотрим некоторые из экспериментов и попробуем разобраться в их методиках поиска ТМ.
-
EDELWEISS.
EDELWEISS (Expe´ rience pour DEtecter Les Wimps En Site Souterrain) — французско- немецко-российский эксперимент целью которого является прямая регистрация сла- бовзаимодействующих массивных частиц (вимпов)2. Вимпы очень слабо взаимодей- ствуют с обычной материей (за один год можно получить лишь около десяти случаев рассеяния), поэтому данный эксперимент нужно проводить с очень малым фоновым излучением. Для этого нужно выбрать определённое место эксперимента и соответ- ствующее оборудование.
В эксперименте EDELWEISS предусмотрена активная и пассивная защита для изоляции от естественного фона, также детекторы были расположены глубоко под землей, в подземной лаборатории LSM, на юге Франции, чтобы избежать космоген- ной составляющей фона. Регистрация вимпов в детекторе осуществляется с помощью криогенных германиевых болометров. Это позволяет одновременно регистрировать два сигнала — тепловой и ионизационный. Сравнение этих двух сигналов позволяет- ся выделить искомые акты взаимодействия на ядре из общего фонового рассеивания
2Стоит заметить, что помимо вимпов,
в данном эксперименте осуществлялся и поиск аксионов [23].
Рис. 11: Основные методы детектирования темной материи . [5]на электронах. Таким способом удалось снизить влияние фонового излучения на че- тыре порядка.
Принцип реализации эксперимента заключается в детектировании ядер отдачи, которые образуются в результате рассеяния вимпов на ядрах атомов обычного ве- щества (рис.12). На данный момент плотность темной материи в земных пределах со- ставляет около 0.3 ГэВ/см3 [26]. Наличие ТМ в области нашей планеты дает надежду на то, что все-таки удастся зарегистрировать вимпы.
Весь эксперимент можно разделить на три основных этапа, в зависимости от чув- ствительности к вимпам. В EDELWEISS-I (2004) использовались германиевые де- текторы, в количестве трех штук и общей массой около одного килограмма.
Это поз- волило определить более точно основные источники фонового излучения и найти спо- соб их нейтрализации. В EDELWEISS-II (2009) уже использовалась 28 детекторов с массой по 320 грамм, что позволило значительно увеличить эффективность работы. EDELWEISS-III — последний реализованный на данный момент этап эксперимента, который имеет уже около 40 детекторов по 800 грамм каждый.
EDELWEISS-I
На данном этапе, как уже отмечалось выше, использовалось всего три германиевых детектора, каждый весом 320 грамм, которые были охлаждены в криостате растворе- ния до 20 мК. Чтобы достичь таких низких температур использовалась смесь из двух изотопов гелия — 3He и 4He, с процентным содержанием в 10% и 90% соответствен- но. Криостат растворения был выбран потому что с помощью него можно было под- держивать образцы больших размеров при постоянной температуре на протяжении длительного периода времени (недели и месяцы).
Рис. 12: Прицип детектирования вимпов. Где mW , V — масса и скорость вимпа, MN
— масса ядра, ER —энергия отдачи, которая впоследствии и детектируется. [24]
В ходе проведения эксперимента было подтверждено то, что детектор способен одновременно измерять тепловой и ионизационный сигнал от поглощаемых частиц. Ввиду того, что ионизационный выход у электронов выше, чем у ядер отдачи, это поз- воляет отобрать более чем 99.9% фоновых событий от электронов и гамма-квантов при энергиях свыше 15 кэВ [12]. Для еще большей изоляции от фонового излучения, установку покрыли свинцовым щитом, толщиной 15 см, и медью толщиной 10 см. Для защиты от нейтронного фона в эксперименте была предусмотрена защита из поли- этилена толщиной 30 см. Внутри криостата, чтобы снизить радиоактивный фон, элек- троника была размещена под 7-ми сантиметровым барьером из сверхчистого свинца (арехологического), сам же криостат был сделан, по большей части, из сверхчистой меди.
Рис. 13: Фотографии детекторов (слева) и схема экспериментальной установки EDELWEISS-I (справа).
·
В течение 4-х месяцев удавалось поддерживать стабильное условия детектора. За это время удалось собрать статистику в 62 кг сут. Анализ этих результатов позволил получить самое точное на то время ограничение на сечение вимп-нуклон, хотя почти в тот же год, эксперимент CDMS-II получил в три раза более точные ограничения, благодаря возможности отделения событий электронной отдачи на основе определе- ния времени прихода фонового сигнала [10].
EDELWEISS-II
После окончание экспериментов EDELWEISS-I в начале 2004 года, полученные дан- ные ясно дали понять перспективность подхода с использованием криогенных де- текторов на германии. Проблема была лишь в том, что для получения более точных данных нужно было увеличить кол-во детекторов, как следствие, разработать новый криостат растворения. В марте того же года начались работы по подготовке к следую- щему этапу EDELWEISS-II. Новый криостат, разработанный специально для новой установки, мог охлаждать более 120 детекторов до температуры менее 2 мК, с улуч- шенной стабильностью температурного режима до 0.01 мК. Также была значительная повышена защита от фонового излучения нейтронов и космических лучей, с помощью мюонного вето. Во время транспортировки и установки деталей были предприняты соответствующие меры по защите от излучения, в частности от радона.На данном этапе уже использовались несколько видов криогенных германиевых болометров, однако основным является детектор типа NTD (Nuclear Track Detector) (рис.14,15), использовавшийся еще и на первом этапе эксперимента EDELWEISS.