En ny design av partikeldetektorer som föreslagits vid det amerikanska energidepartementets Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) kan avsevärt bredda sökandet efter mörk materia – som utgör 85 procent av universums totala massa men vi vet inte vad den är gjord av. av—in i ett outforskat rike.

Medan flera stora fysikexperiment har varit inriktade på teoretiserade partiklar av mörk materia som kallas WIMP, eller svagt interagerande massiva partiklar, den nya detektordesignen kunde skanna efter mörk materiasignaler med energier som är tusentals gånger lägre än de som kan mätas av mer konventionella WIMP-detektorer.

Den ultrakänsliga detektorteknologin innehåller kristaller av galliumarsenid som även innehåller elementen kisel och bor. Denna kombination av element får kristallerna att scintillera, eller tända, i partikelinteraktioner som slår bort elektroner.

Denna scintillationsegenskap hos galliumarsenid har till stor del varit outforskad, sa Stephen Derenzo, en senior fysiker vid Molecular Biophysics and Integrated Bioimaging Division vid Berkeley Lab och huvudförfattare till en studie publicerad 20 mars i Journal of Applied Physics som beskriver materialets egenskaper.

"Det är svårt att föreställa sig ett bättre material för sökning i just detta massintervall, " Derenzo sa, som mäts i MeV, eller miljontals elektronvolt. "Det markerar alla rutorna. Vi är alltid oroliga för ett "Gotcha!" eller showstopper. Men jag har försökt tänka på något sätt att det här detektormaterialet kan misslyckas och jag kan inte."

Genombrottet kom från Edith Bourret, en senior forskare vid Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning som årtionden tidigare hade forskat på galliumarsenids potentiella användning i kretsar. Hon gav honom ett prov av galliumarsenid från detta tidigare arbete som innehöll extra koncentrationer, eller "dopanter, "av kisel och bor.

Derenzo hade tidigare uppmätt en del svag prestanda i ett prov av kommersiell kvalitet galliumarsenid. Men provet som Bourret gav honom uppvisade en scintillationsljusstyrka som var fem gånger ljusare än i det kommersiella materialet, på grund av ökade koncentrationer, eller "dopanter, " av kisel och bor som genomsyrade materialet med nya och förbättrade egenskaper. Denna förbättrade scintillation innebar att det var mycket känsligare för elektroniska excitationer.

"Om hon inte hade gett mig det här provet för mer än 20 år sedan, Jag tror inte att jag skulle ha fullföljt det, ", sa Derenzo. "När detta material är dopat med kisel och bor, detta visar sig vara mycket viktigt och, av misstag, ett mycket bra val av dopmedel."

Derenzo noterade att han har haft ett långvarigt intresse för scintillatorer som också är halvledare, eftersom denna klass av material kan producera ultrasnabb scintillation användbar för medicinska bildbehandlingstillämpningar som PET (positronemissionstomografi) och CT (datortomografi) skanningar, till exempel, samt för högenergifysikexperiment och strålningsdetektering.

De dopade galliumarsenidkristaller han studerade verkar väl lämpade för högkänsliga partikeldetektorer eftersom extremt rena kristaller kan odlas kommersiellt i stora storlekar, kristallerna uppvisar en hög ljusstyrka som svar på elektroner som startar bort från atomer i kristallernas atomstruktur, och de tycks inte hindras av typiska oönskade effekter som signal efterglöd och mörkströmssignaler.

Några av de större WIMP-jaktdetektorerna - som den från Berkeley Lab-ledda LUX-ZEPLIN-projektet som nu är under uppbyggnad i South Dakota, och dess föregångare, LUX-experimentet - införliva en vätskescintillationsdetektor. En stor tank med flytande xenon är omgiven av sensorer för att mäta ljus och elektriska signaler som förväntas från en mörk materiepartikels interaktion med kärnan i en xenonatom. Den typen av interaktion är känd som en nukleär rekyl.

I kontrast, den kristallbaserade galliumarseniddetektorn är designad för att vara känslig för de mindre energier som är förknippade med elektronrekyler – elektroner som stöts ut från atomer genom deras interaktion med partiklar av mörk materia. Som med LUX och LUX-ZEPLIN, galliumarseniddetektorn skulle behöva placeras djupt under jorden för att skydda den från det typiska badet av partiklar som regnar ner på jorden.

Den skulle också behöva kopplas till ljussensorer som kan upptäcka de mycket få infraröda fotoner (ljuspartiklar) som förväntas från en interaktion med mörk materia med låg massa, och detektorn skulle behöva kylas till kryogena temperaturer. Kisel- och bordopämnena kan också möjligen optimeras för att förbättra detektorernas totala känslighet och prestanda.

Eftersom mörk materias makeup fortfarande är ett mysterium - det kan vara sammansatt av en eller flera partiklar med olika massor, till exempel, eller kanske inte är sammansatt av partiklar alls - Derenzo noterade att galliumarseniddetektorer bara ger ett fönster in i mörka materiepartiklars möjliga gömställen.

Medan WIMPs ursprungligen troddes befinna sig i ett massintervall mätt i miljarder elektronvolt, eller GeV, galliumarseniddetektortekniken är väl lämpad för att detektera partiklar i massintervallet mätt i miljoner elektronvolt, eller MeV.

Berkeley Lab-fysiker föreslår också andra typer av detektorer för att utöka sökningen av mörk materia, inklusive en uppsättning som använder ett exotiskt tillstånd av kylt helium känt som superfluid helium för att direkt detektera så kallade "ljus mörk materia"-partiklar i massintervallet tusentals elektronvolt (keV).

"Superfluid helium är vetenskapligt komplementärt till galliumarsenid eftersom helium är mer känsligt för mörk materia interaktioner med atomkärnor, medan galliumarsenid är känsligt för mörk materia som interagerar med elektroner, sa Dan McKinsey, en senior forskare på fakulteten vid Berkeley Lab och fysikprofessor vid UC Berkeley som är en del av LZ Collaboration och som bedriver forskning och utveckling om mörk materiadetektering med hjälp av superfluid helium.

"Vi vet inte om mörk materia interagerar starkare med kärnor eller elektroner - detta beror på den specifika naturen hos den mörka materian, vilket är okänt än så länge."

En annan ansträngning skulle använda galliumarsenidkristaller i ett annat tillvägagångssätt för sökningen av ljus mörk materia baserat på vibrationer i kristallernas atomära struktur, känd som optiska fononer. Denna inställning kan rikta in sig på "ljus mörka fotoner, " som är teoretiserade lågmassapartiklar som skulle fungera som bärare av en kraft mellan mörk materiapartiklar - analogt med den konventionella fotonen som bär den elektromagnetiska kraften.

Ännu ett nästa generations experiment, känt som Super Cryogenic Dark Matter Search-experimentet, eller SuperCDMS SNOLAB, kommer att använda kisel- och germaniumkristaller för att leta efter WIMPs med låg massa.

"Detta skulle vara kompletterande experiment, " Derenzo sa om de många tillvägagångssätten. "Vi måste titta på alla möjliga massområden. Du vill inte bli lurad. Du kan inte utesluta ett massintervall om du inte tittar där."