Questa immagine mostra il nuovo modulo skipper-CCD SENSEI. Credito:collaborazione SENSEI
Cosa rende un buon rivelatore di materia oscura? Ha molto in comune con una buona configurazione della teleconferenza:è necessario un microfono sensibile e una stanza tranquilla.
Gli scienziati che lavorano all'esperimento SENSEI presso il Fermilab del Dipartimento dell'Energia hanno ora dimostrato per la prima volta un rivelatore di particelle, basato su un dispositivo ad accoppiamento di carica, o CCD, tecnologia, con la sensibilità e le velocità di fondo ridotte necessarie per un'efficace ricerca di particelle di materia oscura a bassa massa, la misteriosa sostanza che rappresenta circa l'80% di tutta la materia nell'universo.
La dimostrazione è importante in due modi. Primo, i tassi di fondo misurati dal rivelatore SENSEI sono minimi record per un rivelatore al silicio. Stabiliscono i limiti più forti del mondo sulle interazioni della materia oscura con gli elettroni, su una vasta gamma di modelli. Secondo, mostra l'alta qualità dei rivelatori che saranno utilizzati nell'esperimento SENSEI in scala reale in costruzione. SENSEI verrà eseguito presso il laboratorio sotterraneo profondo canadese SNOLAB.
Il rivelatore SENSEI è un CCD da 5,4 megapixel composto da 2 grammi di silicio che attualmente opera a circa 100 metri sottoterra al Fermilab. Se una particella di materia oscura si scontra con uno degli elettroni nel silicio, l'energia trasferita all'elettrone può essere sufficiente per liberarlo dalla struttura cristallina del silicio. Se c'è abbastanza energia, verranno liberati ulteriori elettroni. Questa carica è il segnale che gli scienziati SENSEI stanno cercando. Più piccolo è il segnale che SENSEI può rilevare, più ampia è la gamma di modelli di materia oscura che può testare.
Questo mostra il modulo CCD SENSEI nel vaso del rivelatore. Credito:collaborazione SENSEI
Per osservare piccoli segnali di materia oscura, la prima cosa di cui gli scienziati hanno bisogno è un rivelatore sensibile. In altre parole, devono essere in grado di rilevare un piccolo segnale e distinguerlo in modo coerente da un rilevatore veramente vuoto. Come dimostrato in lavori precedenti, gli skipper-CCD di SENSEI, progettato dal Lawrence Berkeley National Laboratory, può contare il numero esatto di elettroni in ogni pixel.
Secondo, gli scienziati hanno bisogno di un background basso:il tasso di eventi simili a segnali provenienti da cause diverse dalla materia oscura deve essere piccolo. Un rivelatore sensibile con uno sfondo alto è come un microfono da studio in una stanza rumorosa. Anche se il microfono può captare un sussurro, la tua voce sommessa potrebbe essere soffocata dal rumore della lavatrice in sottofondo. L'unico modo per migliorare la registrazione è eliminare il rumore della lavatrice.
In questi dati di prova, scattata con tempi di acquisizione molto lunghi, abbiamo tracciato la carica misurata in ogni pixel. La vera carica è ovviamente sempre un numero intero di elettroni. La precisione di misura è una piccola frazione di un elettrone, quindi i pixel a 0 e 1 elettrone sono ben separati, e non c'è possibilità di categorizzare erroneamente un pixel vuoto. Credito:collaborazione SENSEI
La collaborazione SENSEI ha ora dimostrato per la prima volta che dispone di un sensibile rilevatore di materia oscura e può ridurre i tassi di fondo. È importante dimostrare che un rilevatore può raggiungere bassi tassi di fondo prima di passare a un esperimento più ampio con la stessa tecnologia, perché altrimenti aumenterai solo il tasso di background. Le precedenti ricerche sulla materia oscura di SENSEI hanno utilizzato prototipi di CCD, che avevano un'elevata sensibilità ma anche sfondi elevati perché non erano realizzati con silicio di altissima qualità.
SENSEI esclude le regioni blu, dove la velocità delle interazioni con la materia oscura sarebbe maggiore della frequenza degli eventi osservata da SENSEI. Le regioni grigie sono escluse da altri esperimenti. Le bande arancioni sono preferite dai modelli teorici e sono bersagli per l'esperimento SENSEI a grandezza naturale. Credito:collaborazione SENSEI
La nuova ricerca sulla materia oscura di SENSEI ha prodotto il primo risultato dai suoi nuovi CCD di livello scientifico, che sono stati fabbricati in un ciclo di produzione dedicato per SENSEI con silicio di alta qualità. La collaborazione ha anche ridotto la quantità di radiazioni che colpisce il CCD aggiungendo ulteriore schermatura attorno all'esperimento. Il risultato è stato una diminuzione dei tassi di eventi in background rispetto alla ricerca precedente con un prototipo di CCD. Il tasso di eventi a singolo elettrone è diminuito da 33, da 000 a 450 eventi/gram-giorno, e vediamo meno eventi a due elettroni (cinque, in calo da 21) in un'esposizione molto più ampia (2,09 grammi-giorni, da 0,043). Inoltre, non vediamo eventi a tre o quattro elettroni, proprio come nella ricerca precedente, ma con una maggiore esposizione.
I CCD di livello scientifico funzionano come si sarebbe potuto sperare, e SENSEI si aspetta che i tassi di fondo siano ancora più bassi presso SNOLAB.
