Kosmologiska observationer och mätningar som samlats in tidigare tyder på att vanligt material, som inkluderar stjärnor, galaxer, människokroppen och otaliga andra föremål/levande organismer, utgör bara 20% av universums totala massa. Den återstående massan har teoretiserats bestå av så kallad mörk materia, en typ av material som inte absorberar, reflekterar eller avger ljus och kan således endast observeras indirekt genom gravitationseffekter på sin omgivande miljö.

Även om den exakta naturen hos denna svårfångade typ av materia fortfarande är okänd, under de senaste decennierna, fysiker har identifierat många partiklar som når bortom standardmodellen (teorin som beskriver några av de viktigaste fysiska krafterna i universum) och som kan vara bra kandidater för mörk materia. De försökte sedan detektera dessa partiklar med två huvudtyper av avancerade partikeldetektorer:halvledande detektorer i gramskala (vanligtvis gjorda av kisel och används för att söka efter mörk materia med låg massa) och gasdetektorer i tonskala (som har högre tröskelvärden för energidetektion och är bättre lämpade för att utföra högmassa efter sökningar i mörk materia).

EDELWEISS-samarbetet, en stor grupp forskare som arbetar vid Université Lyon 1, Université Paris-Saclay och andra institut i Europa, genomförde nyligen den första sökningen efter Sub-MeV mörk materia med en germanium(Ge)-baserad detektor. Medan teamet inte kunde upptäcka mörk materia, de ställer ett antal begränsningar som kan informera framtida utredningar.

"EDELWEISS är ett direkt sökexperiment för mörk materia. Som sådan, vårt primära mål är att upptäcka mörk materia för att få obestridliga bevis på dess existens, "Quentin Arnaud, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "Fortfarande, frånvaron av upptäckt är ett viktigt resultat i sig, eftersom detta gör det möjligt för oss att testa och sätta begränsningar på befintliga partikelmodeller för mörk materia."

Det finns två viktiga skäl till varför mörk materia partiklar hittills har undgått upptäckt. Först, sannolikheten att dessa partiklar interagerar med vanligt material, som den inuti konventionella partikeldetektorer, är extremt liten.

Andra, signalen som forskare förväntar sig skulle uppstå från en partikel av mörk materia som träffar detektorn är flera storleksordningar lägre än de signaler som produceras av naturlig radioaktivitet. Att upptäcka dessa signaler skulle därför kräva mycket långa detektorexponeringstider och användning av instrument som är gjorda av radiorena material, men som också är tillräckligt avskärmade och drivs djupt under jorden, eftersom detta hindrar dem från att upptäcka omgivande radioaktivitet och kosmiska strålar.

"Till slut (trots alla våra ansträngningar), det kommer alltid att finnas någon kvarvarande bakgrund som vi behöver för att kunna diskriminera, "Förklarade Arnaud." Därför, vi utvecklar detektorteknologier med förmågan att avgöra om signalerna vi upptäcker är inducerade av en mörk materia partikel eller kommer från den radioaktiva bakgrunden."

Arnaud och hans kollegor var de första att söka efter sub-MeV mörk materia med en 33,4 g germanium kryogen detektor istället för en kiselbaserad partikeldetektor. De sökte specifikt efter partiklar av mörk materia som skulle interagera med elektroner. Detektorn de använde användes under jord vid Laboratoire Souterrain de Modane, i Frankrike.

"Energin som deponeras i vår detektor efter en interaktion med mörk materia partikel förväntas vara extremt liten ( <1 keV), " sa Arnaud. "När man söker efter ljusa mörka partiklar (sub-MeV-massor), det är ännu värre:den avsatta energin kan vara så liten som några få eV, energifyndigheter så små att endast ett fåtal toppmoderna detektortekniker kan vara känsliga för dem. "

Detektorn som används av EDELWEISS-samarbetet består huvudsakligen av en cylindrisk germaniumkristall som kyls ner till kryogen temperatur (18 mK eller -273, 13 C°), med aluminiumelektroder på varje sida av kristallen, där laget applicerade en hög spänningsskillnad. Kollisioner mellan partiklar och kärna/atomer inuti kristallen leder till produktion av elektron-hålpar, som inducerar en liten laddningssignal (dvs. ström) när de driver mot uppsamlingselektroder.

Dessutom, en partikels kollision med kristallgittret inducerar en liten temperaturökning (d.v.s. under 1 mikro-Kelvin). Denna temperaturförändring kan mätas med en mycket känslig termisk sensor känd som en neutrontransmutationsdopad (NTD) sensor. Eftersom energiavlagringarna som teoretiskt borde uppstå från sub-MeV mörk materia partiklar är otroligt små (dvs. i eV-skalan), dock, den tillhörande laddningssignalen skulle vara för liten för att vara mätbar och temperaturökningen för liten för att kunna mätas av en NTD-sensor.

"För att lösa det här problemet, vår detektor utnyttjar det som kallas Neganov-Trofimov-Luke (NTL) -effekten (som till viss del liknar Joule-effekten):I kryogena halvledardetektorer, driften av N elektron-hålspar över en spänningsskillnad producerar ytterligare värme vars energi summerar till den initiala deponerade, ", sa Arnaud. "Denna Neganov-Trofimov-Luke (NTL) effekt förvandlar i huvudsak en kryogen kalorimeter (driven vid ΔV=0V) till en laddningsförstärkare. En liten energifyndighet slutar ge upphov till en hög (mätbar) temperaturhöjning och han högre spänningen, ju högre förstärkningsförstärkning."

Arnaud och hans kollegor sätter nya begränsningar för den kinetiska blandningen av mörka fotoner. Övergripande, fynden som de samlat in visar den höga relevansen och värdet av kryogena germaniumdetektorer i det pågående sökandet efter interaktioner mellan mörk materia som producerar elektron-signaler i eV-skala.

EDELWEISS-samarbetet utvecklar nu en uppsättning kraftfullare detektorer som kallas SELENDIS (Single ELEctron Nuclear Recoil DIScrimination). Den viktigaste egenskapen hos dessa nya detektorer är en innovativ diskrimineringsteknik som gör det möjligt för teamet att skilja mellan nukleära och elektroniska rekyler ner till ett enda elektron-hålspar med den enda mätningen av värmesignaler snarare än att kräva samtidig mätning av två observerbara ( t.ex, , värme/jonisering, jonisering/scintillation eller värme/scintillation), vilket är fallet med tidigare föreslagna diskrimineringstekniker.

"Ingen existerande detektorteknik kan kombinera känslighet för enskilda elektroner och diskriminering, "Sade Arnaud. "Direkta upptäcktsexperiment optimerade för sökningar av mörk materia med hög massa är mycket bra på att skilja signalen från bakgrunden men har relativt höga trösklar för energidetektering. Sökexperiment med låg massa mörk materia – inklusive EDELWEISS – har oöverträffade trösklar för lågenergidetektering men kan inte skilja signalen från bakgrunden. Med SELENDIS, vårt mål är att kombinera de två genom att utveckla den första detektorn som kombinerar enstaka elektronhålsparkänslighet och bakgrundsdiskriminering."

© 2020 Science X Network