Vad gör för en bra mörk materiadetektor? Det har mycket gemensamt med en bra telefonkonferensinställning:Du behöver en känslig mikrofon och ett tyst rum.

Forskare som arbetar med SENSEI-experimentet vid Department of Energy's Fermilab har nu för första gången demonstrerat en partikeldetektor, baserad på en laddningskopplad enhet, eller CCD, teknik-med både den känslighet och minskade bakgrundsfrekvenser som behövs för en effektiv sökning efter partiklar med låg massa av mörk materia, den mystiska substansen som står för cirka 80 procent av all materia i universum.

Demonstrationen är viktig på två sätt. Först, bakgrundshastigheterna som mäts av SENSEI-detektorn är rekordlåga för en silikondetektor. De sätter världens starkaste gränser för mörk materias interaktioner med elektroner, över ett brett utbud av modeller. Andra, det visar den höga kvaliteten på detektorerna som kommer att användas i det fullskaliga SENSEI-experimentet som är under uppbyggnad. SENSEI kommer att köra på det kanadensiska SNOLAB djupa underjordiska laboratoriet.

SENSEI-detektorn är en 5,4-megapixel CCD gjord av 2 gram kisel som för närvarande arbetar cirka 100 meter under jorden vid Fermilab. Om en mörk materia partikel kolliderar med en av elektronerna i kislet, energin som överförs till elektronen kan räcka för att frigöra den från kislets kristallstruktur. Om det finns tillräckligt med energi, ytterligare elektroner kommer att frigöras. Denna laddning är signalen som SENSEI-forskare letar efter. Ju mindre signal SENSEI kan upptäcka, desto bredare utbud av mörk materiamodeller kan den testa.

För att observera små mörk materia-signaler, det första forskarna behöver är en känslig detektor. Med andra ord, de måste kunna upptäcka en liten signal och konsekvent skilja den från en riktigt tom detektor. Som visats i tidigare arbete, SENSEI:s skeppare-CCD:er, designad av Lawrence Berkeley National Laboratory, kan räkna det exakta antalet elektroner i varje pixel.

Andra, forskare behöver låg bakgrund - frekvensen av signalliknande händelser från andra orsaker än mörk materia måste vara liten. En känslig detektor med hög bakgrund är som en studiomikrofon i ett bullrigt rum. Även om mikrofonen kan fånga en viskning, din mjuka röst kan överröstas av ljudet från tvättmaskinen i bakgrunden. Det enda sättet att förbättra inspelningen är att eliminera bruset från tvättmaskinen.

SENSEI-samarbetet har nu för första gången visat att det har en detektor för känslig mörk materia och kan minska bakgrundshastigheten. Det är viktigt att visa att en detektor kan uppnå låga bakgrundshastigheter innan du skalar upp till ett större experiment med samma teknik, för annars kommer du bara att skala upp din bakgrundsfrekvens. Tidigare sökningar av mörk materia av SENSEI använde prototyper av CCD:er, som hade hög känslighet men också hög bakgrund eftersom de inte var gjorda med kisel av högsta kvalitet.

SENSEI:s nya sökning av mörk materia har gett det första resultatet från dess nya CCD:er av vetenskaplig kvalitet, som tillverkades i en dedikerad produktionskörning för SENSEI med högkvalitativt kisel. Samarbetet minskade också mängden strålning som träffar CCD:n genom att lägga till extra avskärmning runt experimentet. Resultatet var en minskning av händelsefrekvensen i bakgrunden jämfört med den tidigare sökningen med en prototyp CCD. Antalet enelektronhändelser minskade från 33, 000 till 450 händelser/gram-dag, och vi ser färre två-elektronhändelser (fem, ned från 21) i en mycket större exponering (2,09 gram-dagar, upp från 0,043). Vi ser heller inga tre- eller fyraelektronhändelser – precis som i den tidigare sökningen, men med en större exponering.

De vetenskapliga CCD:erna fungerar så bra som man kunde ha hoppats, och SENSEI förväntar sig att bakgrundssiffrorna blir ännu lägre hos SNOLAB.