Темная материя

Kamioka-CaF₂(Eu) — эксперимент в Японии, в шахте Камиоканде на глубине 2700 м. Детектор содержал сцинтилляционный кристалл CaF₂(Eu) весом 310 г, окруженный радиационной защитой, состоящей из медной, свинцовой и полиэтиленовой оболочек с толщиной соответственно 15, 15 и 20 см. Кристаллы CaF₂(Eu) имеют световыход, составляющий около 50 % от световыхода NaI(Tl), и поэтому энергетический порог детекторов, созданных на основе кристаллов CaF2(Eu), несколько выше, чем у детекторов на кристаллах NaI(Tl). Световой сигнал от кристалла регистрируется ФЭУ и поступает на вход цифрового осциллографа. В установке Kamioka-CaF₂(Eu) счет событий с энергиями ≤10 кэВ составил 10 кэВ^-1 кг^-1 сут^-1 , что соответствует фоновой загрузке детектора.

KIMS (Korea Invisible Mass Search) — эксперимент в Корее, в подземной шахте Янгянг на глубине 700 м. В эксперименте используются четыре сцинтилляционных кристалла CsI(Tl) с общей массой 34,8 кг. Сцинтилляционный свет регистрируется ФЭУ c двух торцевых поверхностей кристалла и записывается с помощью сверхбыстрых аналого-цифровых преобразователей. Полная экспозиция детектора составила 3409 кг сут. После выделения зарегистрированных фоновых событий число полезных событий, которые могли бы быть ассоциированы с наблюдением ядра отдачи, согласуется с нулевым результатом обнаружения вимпов.

ZEPLIN (ZonEd Proportional scintillation in LIquid Noble gases) — эксперимент в подземной шахте Боулби. В первой фазе эксперимента — ZEPLIN-I — в качестве сцинтиллятора использовалось 3,1 кг жидкого ксенона. Этот опыт оказался неудачным, так как шум электроники оказался слишком велик, а энергетическое разрешение было слишком мало для того, чтобы уверенно выделять полезные сигналы. Развитием этого эксперимента стало создание установок ZEPLIN-II и ZEPLIN-III, в которых использовался ксенон в жидкой и в газовой фазах и в качестве сигналов регистрировался заряд и сцинтилляционный свет.

3. Криогенные детекторы, регистрирующие тепло

В последнее десятилетие для  регистрации вимпов наиболее активно  используются криогенные детекторы. Это  связано с тем, что при очень  низких температурах теплоемкость приближенно  следует закону Дебая (~ Т³) и можно проводить калориметрические измерения даже при очень малых выделенных энергиях. При измерении энергии отдачи уже достигнут энергетический порог 1 кэВ. Снижение теплоемкости при Т→0 позволяет в технически достижимых температурных областях получать регистрируемые в макроскопическом рабочем теле температурные отклики ~ 1 мкК на энерговыделение величиной в несколько электронвольт. Кроме того, энергетическая цена элементарного фононного возбуждения в криогенных детекторах значительно ниже (менее 1 мэВ), чем в классических детекторах на основе полупроводников или сцинтилляторов. Поэтому криогенные детекторы дают возможность достичь беспрецедентно высоких чувствительности и энергетического разрешения.

ROSEBUD (Rare Objects SEarch with Bolometers UndergrounD) — эксперимент в подземной лаборатории Канфранк, оборудование которого включало в себя три сапфировых болометра с Ge-термосопротивлениями. Полная масса кристаллов сапфира составляла около 100 г. Кристаллы в тонкой оболочке из свинца и меди высокой чистоты были погружены в жидкий гелий при температуре 20 мК. Внешняя защита детектора состояла из свинцовых блоков и кадмиевой фольги. Установка помещалась на специальную виброизолирующую платформу в клетке Фарадея. Порог регистрации составлял ~ 2 кэВ. Число фоновых событий в области энергий 2-100 кэВ достигало ~ 5 событий на 1 кэВ кг сут, что на порядок выше, чем в кремниевом детекторе. Отклонений в энергетическом спектре фоновых событий не обнаружено.

Продолжение эксперимента ROSEBUD было связано с исследованием возможности использования для регистрации вимпов болометров на кристаллах CaWO₄ и BGO. Сравнение спектров, полученных с помощью болометров различного типа, позволяет определить зависимость счета событий от атомной массы кристалла. Однако кристалл BGO оказался практически непригодным для регистрации ядер отдачи при упругом рассеянии вимпов, так как его порог регистрации слишком высок ~ 6 кэВ.

CRESST-I (Cryogenic Rare Event Search with Superconducting Thermometers) — эксперимент, проводившийся в подземной лаборатории Гран-Сассо, в котором использовался сапфировый болометр с массой кристалла 262 г. В эксперименте при пороге E ≈500 эВ достигалось разрешение ≈ 133 эВ при энергии 1,5 кэВ [1].

4. Детекторы на основе перегретых жидкостей и сверхпроводящих гранул, регистрирующие тепло

Один из подходов к созданию детекторов для регистрации вимпов связан с использованием перегретых жидкостей. Такие детекторы работают по принципу пузырьковой камеры, в которой малое энерговыделение в ее объеме нарушает метастабильное состояние жидкости, приводя к образованию пузырьков, регистрируемых оптическими приборами или акустическими сенсорами. Для возникновения фазового перехода необходимо минимальное энерговыделение, поэтому детекторы, использующие перегретые жидкости, являются пороговыми приборами. Рабочие температура и давление подбираются таким образом, чтобы только ядра отдачи могли вызывать образование пузырьков. Электроны отдачи, возникающие при взаимодействиях γ-квантов, имеют меньшее энерговыделение и не приводят к образованию пузырьков.

COUPP (Chicagoland Observatory for Underground Particle Physics) — детектор, представляющий собой аналог пузырьковой камеры, заполненной жидким CF₃I весом 2 кг. В 2005 г. камера была размещена в туннеле нейтринного канала NuMI Тэватрона на глубине 300 м. Образование пузырьков регистрировалось оптическими камерами и акустическими датчиками. Использование двух сигналов обеспечивало пространственную реконструкцию образовавшегося пузырька с точностью 1 мм. Эта информация обеспечивала выделение событий ядер отдачи на фоне событий, обусловленных множественным рассеянием нейтронов. Однако на первом этапе эксперимента COUPP не было предусмотрено методов минимизации фона ядер отдачи α-частиц, возникающих при радиоактивном распаде радона, в малом количестве присутствующего в окружающей среде. Полная экспозиция детектора составила 250 кг сут. Полезных событий выделено не было.

Сейчас проектируется  новая камера, в которой вес  CF₃I достигнет 80 кг и в которой предусмотрено выделение радонового фона. Камеру предполагается установить в подземной лаборатории (Соудан, США), где работает детектор CDMS-II [1].

PICASSO (Project In CAnada to Search for Super- symmetric Objects) — эксперимент с детектором, в котором используются перегретые капли C₄Fi₀, внедренные в гель, основу которого составляет полимеризованная эмульсия. Эксперимент проводился в самой глубокой (~ 6000 м.) подземной лаборатории в мире — SNO (Садбери, Канада). Гель является активной мишенью для взаимодействия вимпов, а перегретые капли диаметром 10-100 мкм работают по принципу минипузырьковой камеры. Фазовый переход к нормальному состоянию сопровождается взрывом капли и регистрируется с помощью пьезоэлектрических датчиков, размещенных на внешней поверхности стенок детектора. Фазовый переход связан с изменением температуры и давления в геле, окружающем каплю, а также со спецификой энергетических потерь частицы, пересекающей чувствительный объем детектора. Это позволяет выделить ядра отдачи ¹⁹F на фоне частиц с малой плотностью ионизации. Энергетический порог регистрации ядер может варьироваться при изменении температуры и давления в детекторе. Температурная зависимость энергетического порога определялась при калибровочных измерениях с нейтронными, γ- и α-источниками и сравнивалась с результатами расчета по методу Монте-Карло. Три детектора объемом 1,5 л каждый начали работать в 2004 г. Эти детекторы представляют собой цилиндрические контейнеры из полипропилена со стальной крышкой, заполненные полимеризованной эмульсией с каплями C₄F₁₀. Изменение температуры в диапазоне 20-47 ° C позволяло обнаруживать ядра отдачи с энергией 6-500 кэВ. При экспозиции, составившей 1,98 кг сут, измеренный энергетический спектр полностью согласовывался с температурной зависимостью, характерной для α-частиц, которая сильно отличается от температурной зависимости в случае ядер отдачи, индуцированных вимпами. Ограничение на вимп-нуклонное сечение составило 1,3 пб при массе вимпа 29 ГэВ [1].

В настоящее время число детекторов, используемых в PICASSO, постепенно увеличивается. Установка из 32 детекторов позволит довести активную массу прибора до 3 кг. При экспозиции 280 кг сут ожидается достичь чувствительности к вимп-нуклонному сечению на уровне 5 х 10^-38 см².

SIMPLE (Superheated Instrument for Massive ParticLE searches) — эксперимент в подземной лаборатории LSBB (Laboratoire Souterrain Bas Bruit) во Франции (глубина 1500 м.), в котором используется детектор на основе перегретых капель фреона C₂ClF₅. Принцип работы установки SIMPLE полностью аналогичен принципу работы PICASSO. Четыре детектора объемом по 5 л каждый имели гелиевую основу, в которую были введены капли C₂ClF₅ с полной активной массой около 43 г. Детекторы помещались в бак с очищенной от примесей водой объемом 700 л, который окружался тройным слоем звуковой и тепловой изоляции. Для регистрации акустических волн, сопровождающих фазовый переход, внутри водного объема размещались пьезоэлектрические микрофоны, а снаружи устанавливался звуковой монитор. В случае регистрации кандидата в событие на любом из детекторов в память компьютера записывалась температура, давление и форма сигнала в виде фурье-образа.

Полная экспозиция установки SIMPLE составила 0,42 кг сут. Счет сигналов в детекторе полностью согласуется с вкладом фона. Несмотря на меньшую, чем в PICASSO экспозицию, ограничения на вимп-нуклонное сечение в эксперименте SIMPLE эквивалентны ограничениям PICASSO. Этот результат продемонстрировал важность использования в эксперименте пассивной защиты от фона и материалов с высокой радиационной чистотой.

5. Комбинированные детекторы, регистрирующие световой и тепловой сигналы

CRESST-II — первый эксперимент по наблюдению вимпов, в котором использовались детекторы, позволяющие как наблюдать световой сигнал, так и регистрировать фононы. Для этого эксперимента были разработаны криогенные детекторы на основе кристаллов CaWO₄ (рис. 11) [1].

Для защиты от фона, создаваемого природной радиоактивностью, детектор окружен оболочкой из меди и свинца. В детекторе ядра отдачи с энергиями ~ 10 кэВ с высокой эффективностью отделяются от радиоактивного γ- и β-фона. Четыре канала SQUID-системы позволяют работать независимо как в фононной моде, так и сцинтилляционном режиме.

Один модуль детектора состоит из сцинтилляционного кристалла CaWO₄ весом ~ 300 г, работающего как криогенный калориметр (фононный канал). Вблизи сцинтилляционного кристалла установлен криогенный детектор, оптимизированный для регистрации света от сцинтилляций (световой канал). Фононный канал предназначен для измерения энергии, переданной ядром отдачи в кристалле CaWO₄ в упругом рассеянии вимпа с ядром. Tак как сигнал ядра отдачи отличается по световыходу от сцинтилляционного света, излучаемого электроном или γ-квантом с той же самой энергией, то происходит эффективное выделение фона электронов и γ-квантов, что дает возможность проводить независимые измерения фононного и светового сигналов.

В детекторном модуле используется цилиндрический кристалл CaWO₄ диаметром 40 мм. Детектор света помещается сверху на плоскую поверхность кристалла, и вся конструкция окружается светоотражающей многослойной полимерной фольгой. Установка работает при температуре около 10 мК. Вольфрамовый термометр находится в промежуточном состоянии между сверхпроводящим и нормальным состояниями. В этом режиме малое возрастание температуры термометра приводит к относительно большому увеличению его сопротивления, которое измеряется посредством двух параллельных обмоток. Один конец обмотки закреплен на сверхпроводящей пленке, а другой через сопротивление соединен с интерферометром SQUID, что обеспечивает высокую чувствительность измерений изменения тока. Возрастание сопротивления термометра и увеличение тока приводит к возрастанию выходного напряжения на SQUID.

В первых измерениях, проведенных  в 2004 г. на двух модулях детекторов, счет регистируемых сигналов составил 0,87 ± 0,22 кг^-1 сут^-1. Это полностью соответствует расчетному сигналу от фона электронов и γ-квантов. Следующий шаг в развитии детектора CRESST связан с установкой дополнительных 33 модулей с усовершенствованной 66-канальной SQUID-системой считывания, применением защиты от нейтронов и вето-системы для мюонов.

Рис. 11. Схема и фотография детектора CRESST-II . W-термометр

6. Комбинированные детекторы, регистрирующие ионизационный и тепловой сигналы

CDMS (Cryogenic Dark Matter Search) явился первым экспериментом, в котором для регистрации вимпов проводились независимые измерения ионизационного и теплового сигналов с помощью криогенного германиевого детектора. До 2002 г. эксперимент проводился в Стэнфордской лаборатории, где детектор имел довольно слабую защиту от мюонов и нейтронов и выделение фона было основано только на нормировке на результаты Монте-Карло-моделирования. Несмотря на это, в течение нескольких лет ограничение CDMS на существование ТМ оставалось самым сильным.

В 2003 г. модернизированный  детектор CDMS-II был помещен в подземную шахту Соудан в Миннесоте (США), расположенную на глубине 2090 м. Использовались четыре германиевых кристалла весом 250 г и два кремниевых детектора весом 100 г, которые охлаждались до температуры меньшей 50 мК (рис. 12) [1]. Для подавления γ-фона и нейтронного фона детекторы окружались защитой, состоящей из слоев меди (0,5 см), свинца (22,5 см) и полиэтилена (50 см). Заряженные частицы (в основном мюоны), проходящие через детектор, выделяются вето-системой, основанной на сцинтилляционных счетчиках [1].

В CDMS-II события с ядрами отдачи отделяются от событий электронного рассеяния по двум независимым каналам. Во-первых, регистрируется ионизация в кристалле высокочистого германия, находящемся между электродами, к которым приложено напряжение в несколько вольт. При данной энергии электроны отдачи имеют большую ионизирующую способность, чем ядра. Во-вторых, с помощью тепловых сенсоров регистрируется тепловыделение при низкой температуре. Фононный сигнал от ядра отдачи является более длительным и приходит позднее, чем сигнал от электрона отдачи. Основным источником фона, который может создать нужное отношение тепло/ионизация, рассчитываемое в предположении рассеяния вимпа на ядре германия, являются ядра отдачи, индуцированные нейтронами.

Рис. 12. (а) Схема детектора CDMS-II. (б) Структурный модуль детектора SuperCDMS с мишенью, содержащей кристаллы Ge с полной массой 640 г.