Teknik som föreslogs för 30 år sedan för att söka efter mörk materia ser äntligen ljuset.

Forskare använder innovativa sensorer, kallade skipper CCDs (förkortning för charge-coupled devices) i en ny typ av mörk materia-detekteringsprojekt. Forskare kommer att använda projektet, känd som SENSEI, att hitta de ljusaste partiklarna av mörk materia någon någonsin har letat efter.

Mörk materia – så kallad för att den inte absorberar, reflektera eller avge ljus – utgör 27 procent av universum, men juryn är fortfarande ute på vad den är gjord av. Den primära teoretiska misstänkta för huvudkomponenten i mörk materia är en partikel som forskare har beskrivande namngett den svagt interaktiva massiva partikeln, eller WIMP.

Men eftersom ingen av dessa tunga partiklar, som förväntas ha en massa 100 gånger en protons massa, har visat sig i experiment, det kan vara dags för forskare att tänka litet.

"Det finns ett växande intresse för att leta efter olika typer av mörk materia som är tillsatser till standardmodellen WIMP, " sa Fermilab-forskaren Javier Tiffenberg, ledare för SENSEI-samarbetet. "Lättvikt, eller låg massa, mörk materia är en mycket övertygande möjlighet, och för första gången, tekniken finns för att utforska dessa kandidater."

Lågmassa mörk materia skulle lämna en liten, svår att se signatur när den kolliderar med material inuti en detektor. Att fånga dessa svårfångade partiklar kräver en mästare som upptäcker mörk materia:SENSEI.

Att känna av det osynliga

I traditionella experiment med mörk materia, forskare letar efter en överföring av energi som skulle inträffa om mörk materia partiklar kolliderade med en vanlig kärna, men SENSEI är annorlunda. Den letar efter direkta interaktioner mellan partiklar av mörk materia som kolliderar med elektroner.

"Det är en stor skillnad - du får mycket mer energi överförd i det här fallet eftersom en elektron är så lätt jämfört med en kärna, sa Tiffenberg.

Om mörk materia har låg massa - mycket mindre än vad WIMP-modellen antyder - skulle den vara många gånger lättare än en atomkärna. Så om den skulle kollidera med en kärna, den resulterande energiöverföringen skulle vara alldeles för liten berätta något för oss. Det skulle vara som att kasta en pingisboll mot ett stenblock:det tunga föremålet går ingenstans, och det skulle inte finnas några tecken på att de två hade kommit i kontakt.

En elektron är långt ifrån så tung som en atomkärna. Faktiskt, en enda proton har ungefär 1, 836 gånger mer massa än en elektron. Så kollisionen av en lågmassa partikel av mörk materia med en elektron har en mycket bättre chans att lämna ett märke - mer bowlingklot än kärnans stenblock.

Ändå, elektronen är fortfarande ett bowlingklot jämfört med partikeln av mörk materia med låg massa. En energiöverföring mellan de två skulle bara lämna en klick energi, en antingen för liten för de flesta detektorer att fånga upp eller lätt överskuggas av brus i data. Det sker ett litet energiutbyte, men, om detektorn inte är tillräckligt känslig, det kan se ut som om ingenting händer.

"Bowlingklotet kommer att röra sig en mycket liten mängd, " sa Fermilab-forskaren Juan Estrada, en SENSEI-samarbetspartner. "Du behöver en mycket exakt detektor för att se denna interaktion mellan lätta partiklar och något som är mycket tyngre."

Det är där SENSEI:s känsliga skipper-CCD:er kommer in:De kommer att ta upp den lilla överföringen av energi.

CCD har använts för andra experiment för upptäckt av mörk materia, till exempel experimentet med mörk materia i CCD (eller DAMIC) som fungerar vid SNOLAB i Kanada. Dessa CCD:er var en spinoff från sensorer som utvecklats för användning i Dark Energy Camera i Chile och andra mörkenergisökprojekt.

CCD:er är vanligtvis gjorda av kisel uppdelat i pixlar. När en mörk materia partikel passerar genom CCD, det kolliderar med kiselelektroner, slå dem fri, lämnar en elektrisk nettoladdning i varje pixel som partikeln passerar igenom. Elektronerna flödar sedan genom intilliggande pixlar och läses slutligen som en ström i en enhet som mäter antalet elektroner som frigörs från varje CCD-pixel. Den mätningen berättar forskarna om massan och energin hos partikeln - i det här fallet den mörka materiens partikel - som fick igång kedjereaktionen. En massiv partikel, som en WIMP, skulle frigöra en ström av elektroner, men en partikel med låg massa kan frigöra bara en eller två.

Typiska CCD:er kan mäta laddningen som lämnas kvar endast en gång, vilket gör det svårt att avgöra om en liten energisignal från en eller två elektroner är verklig eller ett fel.

Skipper CCD:er är en ny generation av tekniken som hjälper till att eliminera "effektiviteten" hos en mätning som har en eller två elektroners felmarginal. Det möjliggör mycket högre precision tack vare en unik design.

"Förr, detektorer kunde mäta mängden laddning av energin som deponeras i varje pixel endast en gång, ", sa Tiffenberg. "Det stora steget framåt för skepparen CCD är att vi kan mäta denna laddning så många gånger vi vill."

Laddningen som lämnas kvar i skipper-CCD av mörk materia som slår elektroner fria kan samplas flera gånger och sedan beräknas medelvärde, en metod som ger en mer exakt mätning av laddningen som deponeras i varje pixel än mät-ett-och-gjort-tekniken. Det är statistikens regel:Med mer data, du kommer närmare en fastighets verkliga värde.

SENSEI-forskare drar fördel av skipper CCD-arkitekturen, mäta antalet elektroner i en enda pixel hela 4, 000 gånger och sedan ett genomsnitt av dem. Det minimerar mätningens fel – eller brus – och förtydligar signalen.

"Detta är en enkel idé, men det tog oss 30 år att få det att fungera, sa Estrada.

Från idé, till verkligheten, till bortom

En liten SENSEI-prototyp körs för närvarande på Fermilab i en detektorhall 385 fot under marken, och det har visat att denna detektordesign kommer att fungera i jakten på mörk materia.

Efter några decennier existerade som bara en idé, skipper CCD-teknik och SENSEI väcktes till liv av Laboratory Directed Research and Development (LDRD)-fonder vid Fermilab och Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab). Fermilab LDRDs tilldelades först nyligen - för mindre än två år sedan - men nära samarbete mellan de två laboratorierna har redan gett SENSEIs lovande design, delvis tack vare Berkeley labs tidigare arbete med skipper CCD-design.

Fermilab LDRD-medel tillåter forskare att testa sensorerna och utveckla detektorer baserade på vetenskapen, och Berkeley Lab LDRD-medel stödjer sensordesignen, som ursprungligen föreslogs av Berkeley Lab-forskaren Steve Holland.

"Det är kombinationen av de två LDRDs som verkligen gör SENSEI möjlig, sa Estrada.

LDRD-program är avsedda att tillhandahålla finansiering för utveckling av nya, banbrytande idéer för vetenskaplig upptäckt, och SENSEI-tekniken passar verkligen räkningen – även bortom dess sökande efter mörk materia.

Framtida SENSEI-forskning kommer också att få ett uppsving tack vare ett nyligen anslag från Heising-Simons Foundation.

"SENSEI är väldigt cool, men det som verkligen är imponerande är att skipper-CCD kommer att tillåta SENSEI-vetenskapen och många andra tillämpningar, " sa Estrada. "Astronomiska studier begränsas av känsligheten hos deras experimentella mätningar, och att ha sensorer utan brus motsvarar att göra ditt teleskop större – mer känsligt."

SENSEI-teknik kan också vara avgörande i jakten på en fjärde typ av neutrino, kallas den sterila neutrinon, som verkar vara ännu mer blyg än sina tre notoriskt svårfångade neutrinofamiljemedlemmar.

En större SENSEI-detektor utrustad med fler skipper-CCD:er kommer att sättas in under året. Det är möjligt att den inte upptäcker något, skicka tillbaka forskare till ritbordet i jakten på mörk materia. Eller så kanske SENSEI äntligen får kontakt med mörk materia – och det skulle vara SENSEI-tionellt.