Темная материя

 

Порог регистрации ядра отдачи в детекторе составлял 2 кэВ. Анализ событий с энергиями в интервале 10 - 100 кэВ, регистрируемых в течение экспозиции CDMS-II равной 19,4 кг сут, позволил на 90%-ном уровне достоверности исключить существование вимпов с массами менее 60 ГэВ при вимп-ядерных сечениях больших 4 х 10^—43 см². На сегодня это ограничение является одним из лучших.

В качестве развития эксперимента было предложено создать новый детектор SuperCDMS и разместить его в лаборатории SNO в Канаде, которая находится в одной из самых глубоких (~ 6000 м.) подземных шахт в мире. Предполагается использовать детекторы, конструкция которых аналогична CDMS-II, и последовательно наращивать их число. На первом этапе будут использованы детекторы с общей массой германия около 27 кг, на втором — 145 кг, и на последнем — 1100 кг. Установка SuperCDMS позволит исследовать вимп-ядерные сечения со значениями вплоть до 10^-44 – 10^-46 см² [1].

 

7. Комбинированные детекторы, регистрирующие световой и ионизационный сигналы

ZEPLIN-II — второй этап эксперимента ZEPLIN, на котором впервые использовался детектор на основе ксенона в жидком и газообразном состояниях. Проходящая через объем жидкой мишени частица ионизирует среду, в результате чего свободные электроны в приложенном электрическом поле движутся по направлению к газовой фазе и, попадая в нее, ионизируют атомы газа. В результате электролюминесценции снимается возбуждение атомов и излучается свет. Принцип использования таких детекторов основан на том, что различные частицы, проходя через чувствительный объем детектора, дают разные вклады в сигналы, которые регистрируются в виде сцинтилляционного света и ионизационных потерь (рис. 13) [1]. Различие между двумя этими сигналами позволяет разделять взаимодействия с электронами и ядрами отдачи. Вимпы должны упруго рассеиваться на ядрах Xe, таким образом, сигнатура взаимодействий ядер отдачи будет значительно отличаться от сигнатуры взаимодействий γ- квантов и электронов отдачи.

ZEPLIN-II содержит 31 кг жидкого ксенона, заключенного в медный резервуар диаметром 50 см, высотой 13 см, объем которого просматривается семью ФЭУ.

Газовый промежуток высотой 2 см находится  над поверхностью жидкого ксенона. Система электродов обеспечивает напряженность электрического поля 1,8 кВ см^-1 в жидкой фазе и 2 кВ см^-1 в пограничной области жидкость-газ. Низкий порог в этом детекторе достигается благодаря регистрации сцинтилляционного света фотоумножителями, находящимися в жидкой фазе. Для измерения ионизационных потерь в жидком ксеноне требуется обеспечить большое время жизни ионов по сравнению с временем жизни свободных электронов. Это достигается посредством использования ксенона сверхвысокой очистки. В первой экспозиции детектора, составившей 225 кг сут, измеренное число событий не превысило расчетного фонового значения.

Рис. 13. Принцип регистрации сигналов в двухфазном ксеноновом детекторе. Частица, попадая в детектор, взаимодействует в жидком ксеноне, в результате чего возникает первичный сцинтилляционный сигнал. Вторичные электроны дрейфуют по направлению к газовому слою, в котором дают вторичный электролюминесцентный сигнал. Оба сигнала регистрируются системой ФЭУ, расположенной в верхней части детектора.

 

ZEPLIN-III — последний этап создания модернизированного ксенонового детектора с двухфазной эмиссией. В ZEPLIN-III используется матрица из 31 ФЭУ, экранированных медной фольгой. Mатрица просматривает слой жидкого ксенона толщиной 40 мм, над которым находится слой газа толщиной 5 мм. Mежду медным электродом, который ограничивает газовую фазу, и сеткой, ограничивающей активную область жидкой фазы, прикладывается напряжение до 40 кэВ. При этом достигается хорошая реконструкция события во всех трех направлениях: в горизонтальной плоскости пространственное разрешение составляет ~ 10 мм, в вертикальном направлении ~ 50 мкм. Mедный резервуар с ксеноновой мишенью и ФЭУ погружен в криостат с жидким азотом. Сейчас проводятся калибровка прибора и подготовительные работы для проведения наблюдений вимпов.

 

5. Регистрация сильновзаимодействующей темной материи

ИНКА (Ионизацонно-Нейтронный КАлориметр) (Рис. 14) [1] — многоцелевая астрофизическая орбитальная обсерватория, которая создается сотрудниками Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) совместно с Институтом ядерных исследований РАН (ИЯИ) и Научно-исследовательским институтом ядерной физики (НИИЯФ) Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова. Эта обсерватория нацелена на проведение фундаментальных исследований в области астрофизики первичного космического излучения (ПКИ) и физики элементарных частиц в интервале высоких энергий (E =10¹²—10¹⁶ эВ). Основными задачами ИНКА является изучение энергетических спектров космических частиц и определение массового состава ядерных компонент ПКИ (начиная от энергий E ≈ 10¹² эВ до E ≈ 10¹⁶ эВ), определение поведения спектра первичных электронов при E ≥ 10¹² эВ и измерение спектра диффузных γ-квантов в области энергий 30 ГэВ ≤ E ≤ 30 ТэВ, а также дискретных источников у-квантов при энергиях 10¹⁰ эВ ≤ E ≤ 10¹² эВ [1]. В проекте ИНКА планируется применить для измерения энергии каскадов регистрацию как ионизационного, так и нейтронного сигналов, что позволит, с одной стороны, значительно повысить точность измерения энергии каскадов и выделить электроны и γ-кванты из протонного фона, а с другой стороны, даст возможность идентифицировать каскады от экзотических частиц с нестандартным развитием. Большая апертура ИНКА (~ 17,6 м² ср) и использование новых технологий регистрации частиц делают этот прибор единственным детектором, способным изучать ТМ, существующую как в форме массивных экзотических частиц с аномально низким отношением заряда к массе, так и в виде вимпов, посредством наблюдений, например, сигналов от аннигиляции массивных нейтралино.

 

Рис. 14. Схема ИНКА: 1 — свинец, 2 — полиэтилен, 3 — пластические сцинтилляторы, 4 — счетчики СНМ-17, 5 — счетчики "Гелий-3", 6 — платы электроники, 7 — фотоприемники (ФЭУ, фототриоды), 8 — зарядовые детекторы, А и Б — слои внешней части прибора.

 

6. Новые перспективные методы регистрации частиц темной материи

Акустическая  регистрация массивных заряженных частиц темной материи в экспериментах на спутниках

Для детектирования заряженных массивных частиц ТМ предложено использовать методы радиационной акустики, а сами детекторы располагать на аэростатах или спутниках. Идея эксперимента основывается на впервые предложенном в ФИАНе методе регистрации заряженных частиц с помощью акустического импульса, который генерируется термоупругим механизмом, инициируемым в материале детектора проходящими через него заряженными частицами. Использование современной технологии производства акустических датчиков дает основания надеяться, что акустический метод позволит создать сравнительно легкий и недорогой детектор ТМ.

В состав детектора для поиска сильновзаимодействующей ТМ всегда входят слои поглотителя, в которых частицы теряют часть энергии Е. В эксперименте ИНКА и др., в которых используются плоскости пластического сцинтиллятора на основе полистирола. Расчет величины Е в зависимости от массового числа А частицы, движущейся со скоростью v/c=10^—3, показывает, что в пластине сцинтиллятора толщиной 1 см потери энергии для частиц с А>10⁴ составляют более 5 МэВ. Такое энерговыделение легко зарегистрировать, но в эксперименте по поиску ТМ возникает необходимость отличать подобные сигналы от фона, который создают тяжелые ядра космических лучей. Оценки показывают, что максимальная величина потери энергии ядром урана в рассматриваемой пластине составляет Е  ≈ 40 ГэВ. Это означает, что, используя пластину полистирола толщиной 1 см, можно отличить сигналы, вызванные ядрами, от сигналов, инициированных Х-частицами, при условии, что массовые числа последних А ≥ 1,5 х 10^s.

На рисунке 15 [1] показаны результаты расчетов акустического давления как функции верхней границы v_max чувствительности датчика.

Рис. 18. Акустическое давление Р, создаваемое частицами ТМ при их прохождении через пластину полистирола толщиной 1 см на расстоянии 20 см от точки входа в зависимости от верхней границы чувствительности датчика v_max. Расчет сделан для энерговыделения 100 ГэВ, что соответствует массе Х-частицы m_х = 5 х 10^s ГэВ. Прямой показан уровень теплового шума.

 

Видно, что в рассматриваемой области частот сигнал от Х-частицы превышает ожидаемый уровень теплового шума. Величина акустического сигнала в этом случае превышает 50 и 100 Па для v_max = 10⁶ и 10⁷ Гц соответственно. Сигналы такого уровня могут быть зарегистрированы современными акустическими датчиками. В частности, для этого можно использовать пьезоприемники с активными элементами из пьезополимерной пленки на основе поливинилиденфторида, широко применяемые в датчиках динамических деформаций.

Оценки показывают, что такие  пьезоприемники размером 1 х 1 см², толщиной ~ 10 мкм и чувствительностью ~ 10 мкВ Па^-1 позволят регистрировать акустический сигнал от Х-частиц в пределах рассмотренного диапазона масс А ≥ 3 х 10⁷. Такие датчики, если их установить на солнечных батареях спутников или внешних стенках космической станции (например, Международной космической станции), могли бы обеспечить очень большую эффективную площадь регистрации.

Для регистрации частиц ТМ с большими массами целесообразно использовать несколько слоев акустических радиаторов, поскольку в отличие от космической пыли тяжелые частицы ТМ могут легко проходить через значительную толщу материала. Например, Х-частицы с А > 10⁹ могут пройти через четыре пластины полистирола толщиной 1 см. Это можно использовать для того, чтобы детектировать их сигнал в нескольких пластинах и получить дополнительную уникальную сигнатуру таких частиц.

7. Заключение

На протяжении последних десяти лет практически во всех подземных  лабораториях мира проводятся эксперименты по прямому поиску вимпов. В этих низкофоновых лабораториях работают и создаются установки, в которых различными методами регистрируется малое энерговыделение от процесса рассеяния вимпов на ядрах детектора-мишени

Сегодня некоторые из этих экспериментов  достигли уровня чувствительности, необходимого для проверки предсказаний наиболее реалистичных суперсимметричных моделей в физике элементарных частиц. Технологический прогресс в создании криогенной техники, мало- шумящей электроники и использование комбинированных методов подавления фоновых событий определили направление в создании детекторов ближайшего будущего. Сегодня уже не стоит вопрос о том, как регистрировать вимпы. В новых детекторах будут использованы различные мишени, вес которых достигает 100-1000 кг, и методы обнаружения ядер отдачи, основанные на регистрации той или иной комбинации светового, ионизационного, теплового и акустического сигналов. В случае регистрации в этих детекторах полезного сигнала можно будет не только установить массу вимпа, но в некоторых случаях также определить природу слабовзаимодействующей частицы и сценарий ее образования среди многочисленных возможных вариантов, предлагаемых теоретическими моделями.

 

Список литературы

1. “Поиски частиц темной материи” В.А. Рябов, В.А. Царев, A.M. Цховребов, 2008 г.
2. http://ru.wikipedia.org/wiki/Тёмная_материя.
3. http://elementy.ru/lib/25560/25564.
4. http://ru.wikipedia.org/wiki/Поколение_(физика_элементарных_частиц).