Esta imagem mostra o novo módulo SENSEI skipper-CCD. Crédito:colaboração SENSEI
O que é um bom detector de matéria escura? Ele tem muito em comum com uma boa configuração de teleconferência:você precisa de um microfone sensível e uma sala silenciosa.
Cientistas trabalhando no experimento SENSEI no Fermilab do Departamento de Energia agora demonstraram pela primeira vez um detector de partículas - baseado em dispositivo de carga acoplada, ou CCD, tecnologia - com a sensibilidade e as taxas de fundo reduzidas necessárias para uma busca eficaz por partículas de baixa massa de matéria escura, a substância misteriosa que responde por cerca de 80 por cento de toda a matéria do universo.
A demonstração é importante de duas maneiras. Primeiro, as taxas de fundo medidas pelo detector SENSEI são baixas de registro para um detector de silício. Eles definem os limites mais fortes do mundo nas interações da matéria escura com os elétrons, em uma ampla gama de modelos. Segundo, ele mostra a alta qualidade dos detectores que serão usados no experimento em escala real do SENSEI em construção. O SENSEI funcionará no laboratório subterrâneo canadense SNOLAB.
O detector SENSEI é um CCD de 5,4 megapixels feito de 2 gramas de silício operando atualmente a cerca de 100 metros de profundidade no Fermilab. Se uma partícula de matéria escura colide com um dos elétrons do silício, a energia transferida para o elétron pode ser suficiente para liberá-lo da estrutura cristalina do silício. Se houver energia suficiente, elétrons adicionais serão liberados. Essa cobrança é o sinal que os cientistas do SENSEI estão procurando. Quanto menor o sinal que o SENSEI pode detectar, quanto mais ampla for a gama de modelos de matéria escura que ele pode testar.
Isso mostra o módulo SENSEI CCD no recipiente do detector. Crédito:colaboração SENSEI
Para observar pequenos sinais de matéria escura, a primeira coisa que os cientistas precisam é de um detector sensível. Em outras palavras, eles devem ser capazes de detectar um pequeno sinal e distingui-lo de forma consistente de um detector realmente vazio. Conforme demonstrado em trabalho anterior, Skipper-CCDs do SENSEI, desenhado por Lawrence Berkeley National Laboratory, pode contar o número exato de elétrons em cada pixel.
Segundo, os cientistas precisam de um fundo baixo - a taxa de eventos semelhantes a sinais de outras causas além da matéria escura deve ser pequena. Um detector sensível com fundo alto é como um microfone de estúdio em uma sala barulhenta. Mesmo que o microfone possa captar um sussurro, sua voz suave pode ser abafada pelo barulho da máquina de lavar ao fundo. A única maneira de melhorar a gravação é eliminar o ruído da máquina de lavar.
Nestes dados de teste, tirada com um tempo de aquisição muito longo, traçamos a carga medida em cada pixel. A verdadeira carga é, obviamente, sempre um número inteiro de elétrons. A precisão da medição é uma pequena fração de um elétron, portanto, os pixels de 0 elétron e 1 elétron estão bem separados, e não há possibilidade de categorizar incorretamente um pixel vazio. Crédito:colaboração SENSEI
A colaboração do SENSEI agora demonstrou pela primeira vez que possui um detector de matéria escura sensível e pode reduzir as taxas de fundo. É importante demonstrar que um detector pode atingir taxas de fundo baixas antes de você escalar para um experimento maior com a mesma tecnologia, porque caso contrário, você apenas aumentará sua taxa de background. Pesquisas anteriores de matéria escura pelo SENSEI usaram CCDs de protótipo, que tinham alta sensibilidade, mas também fundos altos porque não eram feitos com o silício da mais alta qualidade.
SENSEI exclui as regiões azuis, onde a taxa de interações de matéria escura seria maior do que a taxa de eventos que o SENSEI observa. As regiões cinzas são descartadas por outros experimentos. As faixas laranja são favorecidas por modelos teóricos e são alvos para o experimento SENSEI em escala real. Crédito:colaboração SENSEI
A nova pesquisa de matéria escura do SENSEI produziu o primeiro resultado de seus novos CCDs de nível científico, que foram fabricados em uma produção dedicada para SENSEI com silício de alta qualidade. A colaboração também reduziu a quantidade de radiação que atinge o CCD, adicionando proteção extra ao redor do experimento. O resultado foi uma diminuição nas taxas de eventos de fundo em comparação com a pesquisa anterior com um CCD protótipo. A taxa de eventos de elétron único diminuiu de 33, 000 a 450 eventos / grama-dia, e vemos menos eventos de dois elétrons (cinco, de 21) em uma exposição muito maior (2,09 gramas-dia, de 0,043). Também não vemos eventos de três ou quatro elétrons - assim como na pesquisa anterior, mas com uma exposição maior.
Os CCDs de nível científico funcionam tão bem quanto se poderia esperar, e o SENSEI espera que as taxas de histórico sejam ainda mais baixas no SNOLAB.
