Investigadores presentan nuevas restricciones de detección directa en materia oscura

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MInería  Ecuador Researchers present new direct-detection constraints on Sub-GeV dark matter
El concepto de detección ideado por los investigadores. Crédito: Abramoff et al.

En un estudio reciente, un equipo de investigadores ha presentado nuevas restricciones de detección directa de la materia oscura de eV a GeV que interactúan con los electrones, utilizando un nuevo prototipo de detector desarrollado como parte del Sub-Electron Skise Skipper-CCD Experimental Instrument (SENSEI) proyecto. La colaboración de SENSEI está compuesta por investigadores de varias instituciones, entre ellas el Laboratorio Acelerador Nacional Fermi (Fermilab), el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Laboratorio Berkeley), la Universidad Stony Brook, la Universidad de Tel Aviv y la Universidad de Oregón.

«El objetivo de SENSEI es buscar materia oscura en el rango de masa de 1 eV a 1 GeV, es decir, muchos órdenes de magnitud en masa debajo del protón», Rouven Essig, uno de los investigadores que llevó a cabo el estudio y miembro de la facultad en Stony Brook Universidad, dijo a Phys.org. «Esto se puede hacer buscando interacciones de materia oscura con electrones. Sin embargo, realizar una búsqueda de este tipo requiere detectores ultra sensibles, ya que cuando la materia oscura se dispersa de un electrón, produce solo una pequeña cantidad de carga en un detector. SENSEI usa la carga «Dispositivos acoplados (CCD) que tienen un ruido de lectura ultra bajo, llamados Skipper-CCD».

Los Skipper-CCD utilizados por SENSEI se desarrollaron como parte de una colaboración de investigación y desarrollo entre Fermilab y Berkeley Lab. En estudios anteriores, el ruido de lectura era un factor limitante, ya que restringía la precisión con la que se podía medir la carga en los CCD. El uso de nuevos sensores ahora permite a los investigadores obtener una medición precisa de esta carga, lo que a su vez permite buscar interacciones de materia oscura con electrones a niveles sin precedentes.

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El prototipo Skipper-CCD utilizado por los investigadores. Crédito: Abramoff et al.

En su estudio, la Colaboración SENSEI recolectó datos en el Salón MINOS, una caverna de 120 pies de largo ubicada a 350 pies debajo de la superficie del campus de Fermilab. La caverna MINOS contiene una versión más pequeña del detector MINOS en Soudan, que se utiliza para medir las propiedades de los neutrinos.

«Tomamos varios conjuntos de datos con un prototipo pequeño de 0.1 gramo Skipper-CCD en las instalaciones subterráneas de MINOS en Fermilab», explicó Juan Estrada, científico de Fermilab que participó en el estudio. «Este prototipo fue empaquetado y protegido en un recipiente de cobre».

Los investigadores realizaron una serie de experimentos. En primer lugar, leyeron el Skipper CCD acumulando continuamente una exposición de 0.177 g / día. Aunque no observaron eventos que involucraran tres o más electrones, encontraron una gran tasa de eventos de fondo de uno y dos electrones. Ellos atribuyeron este hallazgo a eventos espurios inducidos por el amplificador en la etapa de lectura de Skipper-CCD.

La Colaboración SENSEI también probó una segunda estrategia, que consistía en tomar cinco conjuntos de datos mientras se apagaban todos los amplificadores y se exponía el Skipper CCD a 120k. Posteriormente, los investigadores leyeron los datos a través del mejor prototipo de amplificador disponible para ellos. En este caso, observaron una tasa de eventos de un electrón que fue casi 2 órdenes de magnitud más baja que la tasa de eventos observada en su experimento de lectura continua. Una vez más, no observaron eventos que contengan tres o más electrones, para una exposición de 0.069 g / día.

«Nuestros datos pudieron establecer nuevas restricciones en materia oscura, incluidas las mejores restricciones en dispersión de materia oscura de electrones para masas en el rango de 500 keV a 5 MeV», dijo Tien-Tien Yu, miembro de la facultad de la Universidad de Oregon que Se llevó a cabo el estudio. «Estos datos se tomaron con un prototipo de detector. Uno de nuestros objetivos principales fue mejorar nuestra comprensión del comportamiento del detector para que estemos listos para recopilar datos con sensores mejorados en el futuro».

La colaboración SENSEI utilizó los datos recopilados en su estudio para derivar restricciones líderes en el mundo en materia de dispersión de electrones de materia oscura (para masas entre 500keV y 5MeV), así como en materia oscura de fotones oscuros que está siendo absorbida por electrones (para un rango de masas por debajo de 12.4 eV). Estos resultados podrían mejorar su comprensión de los detectores y, en última instancia, informar la recopilación de datos utilizando sensores más avanzados.

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El prototipo Skipper-CCD utilizado por los investigadores. Crédito: Abramoff et al.

«Ahora estamos adquiriendo Skipper-CCD nuevos y mejorados, con los que construiremos un detector mucho más grande», dijo Javier Tiffenberg, científico del Fermilab que participó en el estudio. «Después de probar los nuevos sensores, tomaremos nuevos datos en Fermilab y en SNOLAB (Canadá) para buscaroscura».

Actualmente, la colaboración de SENSEI está adquiriendo aproximadamente 100 g de nuevos Skipper-CCD y dispositivos electrónicos personalizados para un experimento en SNOLAB, que se instalará más adelante este año. De acuerdo con las predicciones de los investigadores, estos sensores deberían superar significativamente a los actuales, con un rendimiento de ruido mejorado y una menor tasa de conteo de oscuridad.

Tomer Volansky, un miembro de la facultad de la Universidad de Tel Aviv que forma parte de la colaboración SENSEI, declaró: «La búsqueda resultante investigará órdenes de magnitud del nuevo espacio de parámetros de. Estamos muy entusiasmados con lo que está por venir».



Más información:Orr Abramoff et al. SENSEI: Restricciones de detección directa en materia oscura sub-GeV de una carrera subterránea poco profunda usando un CCD de patrón de prototipo,Physical Review Letters(2019). DOI: 10.1103 / PhysRevLett.122.161801

© 2019 Science X Network

Cita: Los investigadores presentan nuevas restricciones de detección directa en materia oscura Sub-GeV (2019, 13 de mayo) recuperadas el 13 de mayo de 2019 de https://phys.org/news/2019-05-direct-detection-constraints-sub-gev- dark.html

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