제플린-III

ZEPLIN-III
ZEPLIN-III 실험: 주로 구리로 제조된 WIMP 검출기는 크라이오스타트 용기 내에 2개의 챔버를 포함했다. 상부에는 12kg의 활성 액체 제논이 들어 있었다. 31개의 광전자 증배기가 액체 위에 있는 얇은 가스 층에서 발생하는 순간 섬광과 지연된 전기 발광을 감지하기 위해 액체에 담가 작동했다.하부 챔버에는 냉각을 제공하기 위한 액체 질소가 들어 있었다.검출기는 Gd에 탑재된 폴리프로필렌에 둘러싸여 중성자를 잡았는데, 이는 배경의 잠재적 원천이다.중성자 포획의 감마선은 감속재 주위에 배치된 52개의 플라스틱 섬광기 모듈에 의해 검출되었다.차폐는 20cm 두께의 납성에 의해 완성되었다.

ZEPLIN-III 암흑 물질 실험은 12 kg 액체 제논 표적을 사용하여 은하계 WIMP를 검출하려고 시도했다.2006~2011년 동안 볼비 지하 실험실(영국 북동부)에서 운영되었다.이것은 원래 영국 다크마이트 콜라보레이션(UKDMC)이 추구한 ZEPLIN 프로그램의 일련의 제논 기반 실험에서 마지막이었다.ZEPLIN-III 프로젝트는 임페리얼 칼리지 런던이 주도했으며 러더포드 애플턴 연구소와 영국의 에든버러 대학, 포르투갈의 LIP-Coimbra, 러시아의 ITEP-모스코우도 포함되었다.Boulby(2008년 83일, 2010년/11년 319일)에서 실시한 두 번의 과학 실험에서 3.9 × 10−8 pb(3.9 × 10−44 cm2) 이상의 핵에서 WIMPs의 탄성 산란 교차점을 배제했다.

직접 암흑물질 탐색 실험은 우리 은하계에 침투한다고 여겨지는 차가운 암흑물질 입자와 방사선 검출기의 활성 매체에 있는 원자의 핵 사이에 발생할 것으로 예상되는 극히 드물고 매우 약한 충돌을 찾는다.이 가상의 기초 입자들은 "약하게 상호작용하는 거대한 입자" 또는 "WIMP"일 수 있고, 몇 개의 양성자 또는 몇 개의 무거운 핵만큼 무게가 나간다.그들의 성질은 아직 알려져 있지 않지만, 암흑물질 문제를 설명하기 위해 입자물리학의 표준모델 내에 남아 있는 분별 있는 후보는 없다.

탐지 기술

응축된 고귀한 가스들, 특히 액체 제논과 액체 아르곤은 뛰어난 방사선 검출 매체다.그들은 각 입자 상호작용에 대해 빠른 섬광(점광)과 국부적인 전하 방출(이온화)의 두 개의 서명을 생성할 수 있다.2상 제논에서는 - 액체와 기체를 평형상태로 포함하므로 - 액체에서 상호작용하여 발생하는 섬광은 광전자 증배관에서 직접 검출된다; 상호작용 현장에서 방출되는 이온화 전자는 외부 전기장 아래 액체 표면까지 표류되고, 그 후 e제논 증기의 얇은 층에 박혀 있는기체에 들어가면 동일한 배열의 광전자 증배기에 의해 감지되는 두 번째 더 큰 빛의 펄스(전광 또는 비례 섬광)를 생성한다.이러한 시스템은 제논 '배출 검출기'[1]로도 알려져 있다.

이 구성은 시간 투영 챔버(TPC)의 구성으로, 깊이 좌표(z)를 두 광 펄스 사이의 시간 간격에서 매우 정확하게 측정할 수 있기 때문에 상호작용 현장의 3차원 재구성을 허용한다.수평 좌표는 광전자 증배 배열의 히트 패턴에서 재구성할 수 있다.WIMP 검색의 경우 비판적으로 두 응답 채널 사이의 비율(점화 및 이온화)은 검출기 재료 및 주변 환경의 미량 방사능에 의한 감마선과 베타 방사선과 같은 WIMP 검색의 주요 배경을 거부할 수 있다.WIMP 후보 이벤트는 더 일반적인 백그라운드 상호작용보다 더 낮은 이온화/점화 비율을 생성한다.

ZEPLIN 프로그램은 WIMP 검색에 2상 기술의 사용을 선도했다.그러나 이 기술 자체는 1970년대 초 아르곤을 이용한 방사선 탐지를 위해 처음 개발되었다.[1]모스크바 공학 물리학 연구소의 선구자 중 한 명인 레베덴코는 2001년부터 영국에 ZEPLIN-III를 건설하는 데 관여했다.그것과 함께 개발되었지만 더 빠른 시간대에, ZEPLIN-II는 세계 최초로 WIMP 검출기가 작동했다(2005년).[2]이 기술은 또한 제논 프로그램에 의해 매우 성공적으로 채택되었다.2상 아르곤은 WARP 협업에 의한 암흑물질 검색에도 사용되어 왔으며, 아르DM. 럭스는 개선한 한계를 설정한 유사한 시스템을 개발하고 있다.

ZEPLIN-III 2상 제논 검출기의 신호.빠른 섬광 펄스(S1)는 액체의 섬광에 의해 즉시 생성되며, 상호작용 현장에서 표류된 이온화가 액체의 위쪽의 얇은 가스 위상으로 방출된 후 더 크고 지연된 펄스(S2)를 얻는다.신호 트레이스 아래의 inset은 광학 신호의 몬테카를로 시뮬레이션을 보여준다.

역사

ZEPLIN(ZonEd 비례 섬광 in LIquid Noble gas) 시리즈 실험은 액체 제논을 사용하여 영국 암흑 물질 협업이 추구하는 진행형 프로그램이었다.그것은 WIMP 산란에 대한 방향 정보를 복구하기 위해 가스를 채운 TPC의 사용을 촉진하는 DRAFT 프로그램과 함께 진화했다.1980년대 후반에 UKDMC는 상온 NaI(Tl) 섬광기에 기반한 프로그램이 Boulby에서 출현한 극저온 LiF, CaF2, 실리콘 및 게르마늄을 포함한 다양한 재료와 기법의 가능성을 탐구했다.[3]후속적으로 새로운 표적 물질인 액체 제논으로의 이동은 고귀한 액체 표적이 본질적으로 더 확장성이 높고 낮은 에너지 임계값과 더 나은 배경 차별을 달성할 수 있다는 현실화에 의해 동기 부여되었다.[4]특히 외부 배경에 더 많은 영향을 받는 대량 대상의 외부 계층은 알려진 상호작용의 위치가 잠재적으로 매우 낮은 배경율로 내부 기준 볼륨을 남겨두면 데이터 분석 중에 희생될 수 있다.이러한 자기 차폐 효과(변형된 ZEPLIN 약어의 '구획화된' 용어로 언급됨)는 각 모듈이 고유의 배경을 가지고 있는 결정 검출기에 채택된 모듈식 접근법에 기반한 기술에 비해 이러한 대상의 민감도가 더 빨리 증가함을 설명한다.

3kg 액체 제논 표적인 ZEPLIN-I는 1990년대 후반부터 불비에서 운용되었다.[5]그것은 배경 제거에 펄스 형태 차별을 사용하였고, WIMP에 의해 야기된 섬광의 타이밍 특성과 배경 상호작용 사이의 작지만 유용한 차이를 이용하였다.그 다음으로는 RAL/UCLA와 임페리얼 칼리지에서 각각 병렬로 설계 및 구축된 2상 시스템 ZEPLIN-III와 ZEPLIN-III가 뒤따랐다.

ZEPLIN-II 첫번째 2제도는 전 세계에서 암흑 물질을 찾기 위해 배치된,[2] 30kg액체 제논 대상 가스의 3mm의 층에 이른바three-electrode 구성에 얹:별도의 전기 필드는 액체(WIMP목표)의 덩치가 크고 나일 강 위에 가스 영역에 여분의 전극을 사용하여 적용되었다로 구성되어 있다. 운트err (기체 위에 위치한 양극 격자와 챔버 하단에 있는 음극에 더하여) 액체 표면의 밑부분을 침하한다.ZEPLIN-II에서는 7개의 광전자 증배기가 가스 단계에서 위에서 챔버를 관찰했다.

ZEPLIN-III는 부분적으로 ITEP에서 개발된 유사한 개념에 기초하여 1990년대 후반에 제안되었고 교수에 의해 구축되었다.[6][7]임페리얼 칼리지의 팀 섬너와 그의 팀.2006년 말 볼비 지하에 배치돼 2011년까지 운영됐다.가스로의 전자 방출은 추가적인 전극이 아닌 액체 덩어리의 강한(4kV/cm) 장에 의해 이루어졌던 2전극실이었다.광전자 증배 배열에는 밑에서 WIMP 표적을 보는 31개의 광자 검출기가 들어 있어 차가운 액체 제논에 담갔다.[8]

그래서 기술 각 시스템에 종사하며 최종 실험은 UKDMC이 제안한:tonne-scale 크세논 목표(ZEPLIN-MAX)(1×120010−10 pb)매개 변수 공간 이론에 의해 그 점에서 선호 대부분의 조사 유지를 할 선택한 평가를 수행할 수 있지만 이 후자 ZEPLIN–II과 –III 고의로 다른 방법으로, 설계되었다.sy줄기는 영국에서 자금 부족으로 만들어진 적이 없다.

결과.

ZEPLIN-III 액체 제논 목표는 ZEPLIN 이전 모델과 동일한 규모로 구축되었지만, 달성된 차별 요소와 낮은 전체적인 배경 때문에 WIMP 민감도에서 상당한 개선을 달성했다.2011년에는 50 GeV WIMP 질량에 대해 3.9 × 10−8 pb 이상의 스핀 독립형 WIMP-핵탄성 산란 단면에 대한 제외 한계를 발표했다.[9]제논 100의 결과만큼 엄격하지는 않지만,[10] 기준 질량이 10배 더 작아 달성했으며, 이러한 검출기에서 달성한 최고의 배경 차별성을 입증했다.WIMP-중성자 스핀 의존 단면은 8.0 × 10−3 pb 이상에서 제외되었다.[11][12]또한 DAMA의 긍정적인 주장과 다른 실험에서 신호가 없는 것을 조화시키려 했던 비탄성 WIMP 산란 모델도 배제했다.[13]

참조

  1. ^ a b B. A. Dolgoshein, V. N. Lebedenko & B. I. Rodionov, "응축 물질에 이온화 입자 트랙의 새로운 등록 방법", JETP Let. 11(11): 351(1970)
  2. ^ a b Alner, G.J.; Araújo, H.M.; Bewick, A.; Bungau, C.; Camanzi, B.; et al. (2007). "First limits on WIMP nuclear recoil signals in ZEPLIN-II: A two-phase xenon detector for dark matter detection". Astroparticle Physics. 28 (3): 287–302. arXiv:astro-ph/0701858. Bibcode:2007APh....28..287A. doi:10.1016/j.astropartphys.2007.06.002. ISSN 0927-6505. S2CID 1044263.
  3. ^ http://hepwww.rl.ac.uk/ukdmc/pub/fulpub.html에서 전체 UKDMC 참조 목록을 참조하십시오.
  4. ^ Davies, G.J.; Davies, J.D.; Lewin, J.D.; Smith, P.F.; Jones, W.G. (1994). "Liquid xenon as a dark matter detector. Prospects for nuclear recoil discrimination by photon timing". Physics Letters B. Elsevier BV. 320 (3–4): 395–399. Bibcode:1994PhLB..320..395D. doi:10.1016/0370-2693(94)90676-9. ISSN 0370-2693.
  5. ^ Alner, G.J.; Araujo, H.; Arnison, G.J.; Barton, J.C.; Bewick, A.; et al. (2005). "First limits on nuclear recoil events from the ZEPLIN I galactic dark matter detector". Astroparticle Physics. Elsevier BV. 23 (5): 444–462. Bibcode:2005APh....23..444U. doi:10.1016/j.astropartphys.2005.02.004. ISSN 0927-6505.
  6. ^ T. J. 섬너 외, "ZEPLIN-III: 2상 제논 암흑 물질 검출기, in: Proc. 3 Int. 워크샵. ID. 암흑 물질, 스푸너 & 쿠드랴브체프(Eds):월드 사이언티픽, 페이지 452–456(2001)
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  8. ^ AKIMOV, D; ALNER, G; ARAUJO, H; BEWICK, A; BUNGAU, C; et al. (2007). "The ZEPLIN-III dark matter detector: Instrument design, manufacture and commissioning". Astroparticle Physics. 27 (1): 46–60. arXiv:astro-ph/0605500. Bibcode:2007APh....27...46A. doi:10.1016/j.astropartphys.2006.09.005. hdl:10316/4383. ISSN 0927-6505. S2CID 11911700.
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  12. ^ Lebedenko, V. N.; Araújo, H. M.; Barnes, E. J.; Bewick, A.; Cashmore, R.; et al. (2009-10-08). "Limits on the Spin-Dependent WIMP-Nucleon Cross Sections from the First Science Run of the ZEPLIN-III Experiment". Physical Review Letters. 103 (15): 151302. arXiv:0901.4348. Bibcode:2009PhRvL.103o1302L. doi:10.1103/physrevlett.103.151302. ISSN 0031-9007. PMID 19905617. S2CID 1349055.
  13. ^ Akimov, D.Yu.; Araújo, H.M.; Barnes, E.J.; Belov, V.A.; Bewick, A.; et al. (2010). "Limits on inelastic dark matter from ZEPLIN-III". Physics Letters B. 692 (3): 180–183. arXiv:1003.5626. Bibcode:2010PhLB..692..180A. doi:10.1016/j.physletb.2010.07.042. ISSN 0370-2693. S2CID 67836272.

외부 링크

좌표:54°33′12″N 0°49′28″w/54.5534°N 0.8245°W/ 54.5534; -0.8245