I en nyligen genomförd studie, ett team av forskare har presenterat nya direktdetekteringsbegränsningar för eV-till-GeV mörk materia som interagerar med elektroner, med hjälp av en ny prototypdetektor som utvecklats som en del av projektet SENSEI (Sub-Electron-Noise Skipper-CCD Experimental Instrument). SENSEI -samarbetet består av forskare från flera institutioner, inklusive Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab), Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), Stony Brook University, Tel Aviv University och University of Oregon.

"SENSEIs mål är att söka efter mörk materia i massområdet 1 eV till 1 GeV, dvs många storleksordningar i massa under protonen, "Rouven Essig, en av forskarna som genomförde studien och en fakultetsmedlem vid Stony Brook University, berättade för Phys.org. "Detta kan göras genom att söka efter interaktioner mellan mörk materia och elektroner. Men att utföra en sådan sökning kräver ultrakänsliga detektorer, sedan när mörk materia sprider en elektron, den producerar bara en liten mängd laddning i en detektor. SENSEI använder Charge Coupled Devices (CCDs) som har ett extremt lågt avläsningsbrus, så kallade Skipper-CCDs."

Skipper-CCD:erna som används av SENSEI utvecklades som en del av ett FoU-samarbete mellan Fermilab och Berkeley Lab. I tidigare studier, avläsningsbruset var en begränsande faktor, eftersom det begränsade noggrannheten med vilken laddningen i CCD:erna kunde mätas. Användningen av nya sensorer gör det nu möjligt för forskare att uppnå en exakt mätning av denna laddning, vilket i sin tur möjliggör en sökning efter interaktioner med mörk materia med elektroner på nivåer utan motstycke.

I deras studie, SENSEI -samarbetet samlade in data i MINOS -hallen, en 120 fot lång grotta som ligger 350 fot under ytan av Fermilab campus. MINOS -grottan innehåller en mindre version av MINOS -detektorn i Soudan, som används för att mäta egenskaperna hos neutrinoer.

"Vi tog flera uppsättningar data med en liten, 0,1 gram, prototyp Skipper-CCD vid den underjordiska MINOS-anläggningen vid Fermilab, "förklarade Juan Estrada, en forskare vid Fermilab som var inblandad i studien. "Denna prototyp förpackades och skärmades i ett kopparkärl."

Forskarna genomförde en rad experiment. För det första, de läste upp Skipper CCD och ackumulerade kontinuerligt en exponering på 0,177 g/dag. Även om de inte observerade några händelser som involverade tre eller flera elektroner, de hittade en stor en- och tvåelektronbakgrundshändelsehastighet. De tillskrev detta fynd till falska händelser som inducerades av förstärkaren i Skipper-CCD-avläsningsstadiet.

SENSEI -samarbetet testade också en andra strategi, vilket innebar att ta fem uppsättningar data medan du stängde av alla förstärkare och exponerade Skipper CCD för 120k. Senare, forskarna läste upp data via den bästa prototypförstärkaren som är tillgänglig för dem. I detta fall, de observerade en en-elektronhändelseshastighet som var nästan 2 storleksordningar lägre än händelseshastigheten som observerades i deras experiment för kontinuerlig avläsning. Ännu en gång, de observerade inga händelser som innehöll tre eller flera elektroner, för en exponering av 0,069 g/dag.

"Våra data kunde sätta nya begränsningar för mörk materia, inklusive de bästa begränsningarna för att sprida mörk materia av elektroner för massor i intervallet 500 keV till 5 MeV, "sa Tien-Tien Yu, en fakultetsmedlem vid University of Oregon som genomförde studien. "Denna data togs med en prototypdetektor. Ett av våra huvudmål var att förbättra vår förståelse av detektorns beteende så att vi är redo att samla in data med förbättrade sensorer i framtiden."

SENSEI-samarbetet använde data som samlats in i sin studie för att härleda världsledande begränsningar för elektronmaterialspridning av mörk materia (för massor mellan 500keV och 5MeV), liksom på mörk-foton mörk materia som absorberas av elektroner (för ett massintervall under 12,4 eV). Dessa resultat kan förbättra deras förståelse av detektorer och i slutändan informera datainsamling med hjälp av mer avancerade sensorer.

"Vi skaffar nu nya, förbättrade Skipper-CCD:er, som vi kommer att bygga en mycket större detektor med, sa Javier Tiffenberg, en forskare vid Fermilab som var involverad i studien. "Efter att ha testat de nya sensorerna, vi kommer att ta ny data både på Fermilab och vid SNOLAB (Kanada) för att söka efter mörk materia. "

För närvarande, SENSEI-samarbetet skaffar cirka 100 g nya Skipper-CCD och anpassad elektronik för ett experiment på SNOLAB, som kommer att installeras senare i år. Enligt forskarnas förutsägelser, dessa sensorer bör avsevärt överträffa nuvarande sensorer, med förbättrad brusprestanda och lägre mörkertal.

Tomer Volansky, en fakultetsmedlem vid Tel Aviv University som är en del av SENSEI-samarbetet, uttalade:"Den resulterande sökningen kommer att undersöka storleksordningar för nya parametrar för mörk materia. Vi är mycket glada över vad som väntar."

© 2019 Science X Network