Результаты поиска WIMP в эксперименте EDELWEISS

• Автор: Лубашевский, Алексей Владимирович
• Шифр специальности: 01.04.16
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Дубна
• Количество страниц: 128 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПОИСКА СЛАБОВЗАИМОДЕЙСТВУЮЩИХ МАССИВНЫХ ЧАСТИЦ
1.1. Аргументы в пользу существования темной материи
1.1.1 Исследование кинематики движения звезд в галактиках
1.1.2. Исследование кластеров галактик
1.1.3. Первичный нуклеосинтез и крупномасштабная структура Вселенной
1.1.4. Стандартные свечи
1.1.5. Измерение анизотропии реликтового изучения
1.2. Кандидаты на роль темной материи
1.2.1. Нейтрино
1.2.2. Аксионы

1.3. ДЦЕРНО-ФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ СЛАБОВЗАИМОДЕЙСТВУЮЩИХ МАССИВНЫХ ЧАСТИЦ
1.4. Эксперименты по прямому детектированию WIMP
1.5. Анализ и выводы
2. ЭКСПЕРИМЕНТ ПО ПОИСКУ СЛАБОВЗАИМОДЕЙСТВУЮЩИХ МАССИВНЫХ ЧАСТИЦ EDELWEISS
2.1. Эксперимент EDELWEISS
2.2. Эксперимент EDELWEISS-II
2.3. Криогенные германиевые болометры в эксперименте
2.4. Защита от фоновых событий
2.5. Получение экспериментальных данных
2.5.1. Получение и интерпретация сигналов от детекторов
2.5.2. Деградация и регенерация детекторов
2.5.3. Энергетическая калибровка детекторов
2.6. Выводы
3. ИЗУЧЕНИЕ ФОНА ОТ 22'RN И ЕГО ДОЧЕРНИХ ПРОДУКТОВ В ЭКСПЕРИМЕНТЕ EDELWEISS
3.1. Исследования фона от радона с помощью высокочувствительного радонового детектора

3.2. Моделирование фона от распада 210Рв
3.2.1. Создание генератора частиц 210РЬ
3.2.2. Инструменты для моделирования прохождения частиц в веществе
3.2.3. Моделирование результатов эксперимента EDELWE1SS
3.2.4. Исследование NTD детектора с помощью источника 2]0РЬ
3.2.5. Построение геометрии эксперимента
3.2.6. Получение параметров моделирования
3.2.7. Получение функции эффективности сбора заряда
3.2.8. Прохождение альфа частиц
3.2.9. Сравнение экспериментальных и смоделированных данных
3.2.10. Анализ месторасположения событий
3.3. Другие источники поверхностных событий
3.4. Выводы
4. ПЕРВЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА EDELWEISS
4.1. Экспериментальный спектр и его анализ
4.2. Результаты с NTD детекторами
4.3. Сравнение эксперимента и модели
4.4. Результаты с ID детекторами
4.5. Выводы и перспективы
5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА
Введение

Одним из наиболее важных вопросов в современной физике является проблема существования скрытой массы во Вселенной. Большое количество различных экспериментальных данных свидетельствует о наличии холодной небариоиной темной материи. Возможным объяснением данного факта является существование во Вселенной неизвестных слабовзаимодействующих массивных частиц (WIMP). Прямое наблюдение таких частиц в лаборатории является ключевым элементом для подтверждения их существования и понимания их свойств, и поэтому имеет первостепенную важность и для астрофизики, и для физики частиц. WIMPs можно обнаружить при их упругом рассеянии на ядрах вещества, в частности, по регистрации ядер отдачи, образующихся при таком рассеянии в германиевом детекторе. Так как WIMP взаимодействует с нуклонами слабым образом, то рассеяние WIMP на обычной материи является редким событием (менее десяти событий на килограмм материи в год). Этот факт, а также низкая энергия отдачи, являются основными трудностями для прямого детектирования WIMP. Один из возможных путей решения данной проблемы - проведение экспериментов с использованием новой генерации криогенных детекторов, сочетающих низкий энергетический порог, высокое инструментальное разрешение и мощную возможность выделения фоновых событий.
Данная экспериментальная техника используется во французско-немецко-российском эксперименте EDELWEISS. Регистрация ядер отдачи в эксперименте осуществляется с помощью криогенных германиевых болометров, способных одновременно регистрировать ионизационный и тепловой сигналы в области поиска WIMP. Сравнение двух сигналов обеспечивает возможность эффективного отбора редких искомых событий, в которых начальное рассеяние происходит на ядре, от тех фоновых событий, в которых рассеяние происходит на электронах (результат, производимый р- или у- излучением). Это позволяет подавить доминирующий фон в 10 раз. До недавнего времени чувствительность этого метода была ограничена фоновыми событиями в поверхностном слое детекторов, для которых неполный сбор заряда имитирует сигнатуру WIMP. В EDELWEISS решение этой проблемы осуществляется с использованием позиционно чувствительных детекторов с копланарными кольцевыми электродами. Для снижения фона от космических лучей н естественной радиоактивности эксперимент расположен в подземной лаборатории LSM в туннеле Frejus на границе Франции и Италии. Общая высота скальной породы над лабораторией составляет 1700 м (4800

1.4. Эксперименты по прямому детектированию WIMP
Детектирование ядер отдачи от вимпов с помощью полупроводниковых детекторов являлось одним из первых способов, используемых при поиске темной материи. С полупроводниковыми детекторами можно добиться хорошего разрешения и низкого энергетического порога. С помощью детекторов из сверхчистого германия (HPGe), предназначенных для поиска двойного бета распада, были получены первые ограничения на уровень взаимодействия нуклонов с WIMP [Са188]. Эти эксперименты позволили исключить некоторые кандидаты на роль темной материи, такие как космионы и тяжелые дираковские нейтрино. Детекторы, измеряющие только ионизацию, неспособны отличать события ядер отдачи от гамма фона. Частично это компенсируется возможностью добиться очень высокой степени очистки германиевых детекторов в новых поколениях экспериментов. Для дальнейшего уменьшения числа событий от комптоновекого рассеяния планируется использование сегментирования. Примером таких экспериментов являются эксперименты по поиску двойного бета-распада, такие как GERDA [SchOS] и MAJORANA [АаЮ5]. Перспективным способом поиска WIMP, особенно в области небольших масс (3-6 ГэВ) является использование полупроводниковых детекторов с низким порогом измерений. Так в эксперименте TEXONO [Lin09] для поиска темной материи используется германиевый детектор с активной массой около 5 г. Достигнутый с данным детектором порог измерений составил всего 220 эВ (при 50% эффективности).
Поиск WIMP возможен с помощью сцинтилляционных детекторов, например на базе Nal и Nal(Tl). Преимуществом использования данных сцинтилляторов является возможность достижения большого количества рабочего вещества при относительно низком уровне фона. Также сцинтилляторы известны возможностью дискриминации сигналов с помощью анализа формы импульса. К сожалению, эта дискриминация не очень эффективна при низких энергиях. Для поиска годовых вариаций сигнала от WIMP, коллаборацчя DAMA [ВегОО] использовала неорганические сцинтилляторы Nal и Nal(Tl) с общей массой около 100 кг (девять независимых детекторов по 9.7 кг каждый). Для снижения фона от космических лучей, эта установка расположена в подземной лаборатории Gran-Sasso (Италия). Набор данных проходил на протяжении семи годовых циклов. Полная экспозиция в эксперименте составила 107731 кг*сут. Энергетический порог в эксперименте составлял около 2 кэВ. На рисунке 1.23 показано изменение счета детектора в энергетическом интервале 2-6 кэВ с течением времени: