Dark Matter Time Projection Chamber

Dark Matter Time Projection Chamber (DMTPC) är ett experiment för direkt detektering av svagt interagerande massiva partiklar (WIMPs), en av de mest gynnade kandidaterna för mörk materia . Experimentet använder en lågtryckstidsprojektionskammare för att extrahera den ursprungliga riktningen för potentiella mörka materiahändelser. Samarbetet inkluderar fysiker från Massachusetts Institute of Technology (MIT), Boston University (BU), Brandeis University och Royal Holloway University of London . Flera prototypdetektorer har byggts och testats i laboratorier vid MIT och BU. Samarbetet tog sina första data i ett underjordiskt laboratorium vid Waste Isolation Pilot Plant (WIPP)-platsen nära Carlsbad, New Mexico hösten 2010.

Detektor koncept

DMTPC-detektorn består av en TPC fylld med lågtrycks CF ₄ -gas. Laddade partiklar som faller på gasen bromsas och stoppas så småningom, vilket lämnar ett spår av fria elektroner och joniserade molekyler. Elektronerna drivs av ett elektriskt fält mot ett förstärkningsområde. Istället för att använda MWPC- ändplattor för förstärkning och händelseavläsning, som i den traditionella TPC-designen, består DMTPC-förstärkningsområdet av ett metalltrådsnät separerat från en kopparanod med ett högt elektriskt fält mellan dem. Detta skapar ett mer enhetligt elektriskt fält för att bevara formen på originalspåret under förstärkning. Lavinen av elektroner skapar också en hel del scintillationsljus , som passerar genom trådnätet. En del av detta ljus samlas upp av en CCD- kamera placerad utanför huvuddetektorns volym. Detta resulterar i en tvådimensionell bild av joniseringssignalen för spåret som den uppträdde på förstärkningsplanet. Information om den laddade partikeln, inklusive dess rörelseriktning i detektorn, kan rekonstrueras från CCD-avläsningen. Ytterligare spårinformation erhålls från utläsning av laddningssignalen på anodplanet.

, såsom 10-L DMTPC (med 10 liter volym) detektor under jord vid Waste Isolation Pilot Plant i New Mexico , 4Shooter eller 4sh eller FourShooter (med 20 liter volym) detektor ovan ytan vid MIT och Canary-kammaren (med mindre än 1 liters volym). Alla detektorer som används har varit för prototyputvecklingsändamål. Det fanns en plan att flytta 4Shooter-detektorn till WIPP, men en olycka vid WIPP:s underjordiska laboratorium i februari 2014 skapade tvivel om denna plan och det är inte känt om planen faktiskt genomfördes.

De största befintliga prototypdetektorerna har vardera totalt 20 L CF ₄ -gas inom driftområdet, där mätbara händelser kommer att inträffa. Gruppen planerar också att så småningom konstruera en detektor med en volym på 1 m ³ kallad DMTPC m ³ (även kallad DMTPCino i vissa källor).

Detektering av WIMPs

I en föreslagen händelse av mörk materia kommer en WIMP in i detektorvolymen och interagerar med en av atomerna i CF ₄ , vanligtvis fluor . Medan WIMP inte lämnar ett spår direkt, får växelverkans rörelsemängdsöverföring atomen att rekylera, och dess joniseringsspår, med ett typiskt intervall på några millimeter, kan detekteras. CF ₄ -gas används eftersom den vanligaste fluorisotopen, ¹⁹ F, tros vara en utmärkt målkärna för att sätta spinnberoende WIMP- nukleonspridning . Om rekyljonen är tillräckligt energisk, kan riktningen för den inkommande WIMP extrapoleras från rekylens riktning.

På grund av solsystemets rörelse runt galaxens mitt tror många fysiker att partiklarna som utgör den mörka materiens halo kommer att tyckas härstamma från en viss riktning på himlen som ungefär motsvarar positionen för konstellationen Cygnus . Om detta är sant hoppas DMTPC-gruppen kunna använda riktningsspårinformationen för att statistiskt bekräfta förekomsten av mörk materia, även i närvaro av icke-mörk materia-bakgrunder som tros ha en annan riktningssignal. Det finns flera andra grupper som utvecklar lågtrycks-TPC-detektorer för mörk materia med riktningskänslighet, inklusive DRIFT , NEWAGE och MIMAC. Dessutom använder mörk materia sökningar som COUPP och NEWAGE också fluor som den huvudsakliga målkärnan för spinnberoende interaktioner.

Resultat

DMTPC publicerade de första resultaten från en ytkörning 2010 och satte en spinnberoende tvärsnittsgräns.

Se även

Källor

G. Jungman et al . "Supersymmetrisk mörk materia". Fysiska rapporter . 267 (1996) 195-373. doi : 10.1016/0370-1573(95)00058-5
JD Lewin och PF Smith. "Översikt av matematik, numeriska faktorer och korrigeringar för experiment med mörk materia baserade på elastisk kärnrecoil". Astropartikelfysik . 6, 87 (1996). doi : 10.1016/S0927-6505(96)00047-3
S. Ahlen et al . (2009). "Följet för en riktad mörk materiadetektor och status för nuvarande experimentella ansträngningar". International Journal of Modern Physics A . doi : 10.1142/S0217751X10048172 . arXiv : 0911.0323
JBR Battat et al . (2009). "DMTCC: En mörk materiadetektor med riktningskänslighet". arXiv : 0907.0675v1 .
S. Ahlen et al . (2010). "Första sökningen efter mörk materia från en ytkörning av 10-L DMTPC-riktningsdetektorn för mörk materia". arXiv : 1006.2928v2 .

externa länkar

DMTPC webbportal
MIT News -artikel om DMTPC (och även MiniCLEAN -experimentet)
Blogginlägg från Scientific American om mörk materia och DMTPC