Em um estudo recente, uma equipe de pesquisadores apresentou novas restrições de detecção direta na matéria escura eV-a-GeV interagindo com elétrons, usando um novo detector de protótipo desenvolvido como parte do projeto Sub-Electron-Noise Skipper-CCD Experimental Instrument (SENSEI). A colaboração do SENSEI é composta por pesquisadores de várias instituições, incluindo o Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab), o Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab), Stony Brook University, Universidade de Tel Aviv e Universidade de Oregon.

"O objetivo do SENSEI é pesquisar matéria escura na faixa de massa de 1 eV a 1 GeV, ou seja, muitas ordens de magnitude em massa abaixo do próton, "Rouven Essig, um dos pesquisadores que realizaram o estudo e um membro do corpo docente da Stony Brook University, disse a Phys.org. "Isso pode ser feito pesquisando as interações da matéria escura com os elétrons. No entanto, realizar tal pesquisa requer detectores ultrassensíveis, desde quando a matéria escura se espalha por um elétron, ele produz apenas uma pequena quantidade de carga em um detector. SENSEI usa dispositivos acoplados de carga (CCDs) que têm um ruído de leitura ultrabaixo, os chamados Skipper-CCDs. "

Os Skipper-CCDs usados ​​pelo SENSEI foram desenvolvidos como parte de uma colaboração de P&D entre o Fermilab e o Berkeley Lab. Em estudos anteriores, o ruído de leitura foi um fator limitante, pois restringia a precisão com a qual a carga nos CCDs poderia ser medida. O uso de novos sensores agora permite aos pesquisadores obter uma medição precisa desta carga, o que, por sua vez, permite a pesquisa de interações de matéria escura com elétrons em níveis sem precedentes.

Em seu estudo, a Colaboração SENSEI coletou dados no MINOS Hall, uma caverna de 36 metros de comprimento localizada a 100 metros abaixo da superfície do campus do Fermilab. A caverna MINOS contém uma versão menor do detector MINOS em Sudão, que é usado para medir as propriedades dos neutrinos.

"Pegamos vários conjuntos de dados com um pequeno, 0,1 grama, protótipo do Skipper-CCD nas instalações subterrâneas da MINOS no Fermilab, "explicou Juan Estrada, um cientista do Fermilab envolvido no estudo. "Este protótipo foi embalado e protegido em um recipiente de cobre."

Os pesquisadores realizaram uma série de experimentos. Em primeiro lugar, eles lêem o Skipper CCD continuamente acumulando uma exposição de 0,177g / dia. Embora eles não tenham observado eventos envolvendo três ou mais elétrons, eles encontraram uma grande taxa de eventos de fundo de um e dois elétrons. Eles atribuíram esse achado a eventos espúrios induzidos pelo amplificador no estágio de leitura do Skipper-CCD.

A Colaboração SENSEI também testou uma segunda estratégia, que envolveu a obtenção de cinco conjuntos de dados, desligando todos os amplificadores e expondo o CCD Skipper por 120ks. Subseqüentemente, os pesquisadores leram os dados por meio do melhor amplificador de protótipo disponível para eles. Nesse caso, eles observaram uma taxa de eventos de um elétron que era quase 2 ordens de magnitude menor do que a taxa de eventos observada em seu experimento de leitura contínua. Mais uma vez, eles não observaram eventos contendo três ou mais elétrons, para uma exposição de 0,069g / dia.

"Nossos dados foram capazes de definir novas restrições à matéria escura, incluindo as melhores restrições no espalhamento de matéria escura de elétrons para massas na faixa de 500 keV a 5 MeV, "disse Tien-Tien Yu, um membro do corpo docente da Universidade de Oregon que realizou o estudo. "Esses dados foram obtidos com um detector de protótipo. Um dos nossos principais objetivos era melhorar nossa compreensão do comportamento do detector para que estejamos prontos para coletar dados com sensores aprimorados no futuro."

A Colaboração SENSEI usou os dados coletados em seu estudo para derivar as principais restrições mundiais no espalhamento de matéria escura-elétron (para massas entre 500keV e 5MeV), bem como na matéria escura do fóton escuro que está sendo absorvida pelos elétrons (para uma faixa de massas abaixo de 12,4 eV). Esses resultados podem melhorar a compreensão dos detectores e, em última análise, informar a coleta de dados usando sensores mais avançados.

"Agora estamos adquirindo novos, Skipper-CCDs melhorados, com o qual construiremos um detector muito maior, "disse Javier Tiffenberg, um cientista do Fermilab envolvido no estudo. "Depois de testar os novos sensores, vamos pegar novos dados no Fermilab, bem como no SNOLAB (Canadá) para pesquisar a matéria escura. "

Atualmente, a colaboração do SENSEI está adquirindo aproximadamente 100g de novos Skipper-CCDs e eletrônicos personalizados para um experimento no SNOLAB, que devem ser instalados ainda este ano. De acordo com as previsões dos pesquisadores, esses sensores devem superar significativamente os atuais, com um desempenho de ruído aprimorado e uma taxa de contagem de escuridão mais baixa.

Tomer Volansky, um membro do corpo docente da Universidade de Tel Aviv que faz parte da colaboração SENSEI, afirmou:"A pesquisa resultante irá sondar ordens de magnitude do novo espaço de parâmetros da matéria escura. Estamos muito entusiasmados com o que está por vir."

© 2019 Science X Network