Tecnologia Científica
Estudo define as primeiras restrições baseadas em germa¢nio na matéria escura
Observaa§aµes cosmola³gicas e media§aµes coletadas no passado sugerem que a matéria comum, que inclui estrelas, gala¡xias, o corpo humano e inúmeros outros objetos / organismos vivos, representa apenas 20% da massa total do universo.
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Ingrid Fadelli - 09/11/2020
Imagem do detector RED30 que os pesquisadores usaram para as pesquisas de matéria escura. A parte laranja éo inva³lucro de cobre. O cilindro interno éo cristal de germa¢nio de ~ 33 g. O quadrado em cima éo NTD (sensor tanãrmico). As 3 pea§as brancas são suportes de Teflon para manter o cristal dentro. Eletrodos de alumanio são litografados em ambas assuperfÍcies planas em um esquema de grade, podemos ver a grade no topo do cristal na foto. Crédito: Colaboração EDELWEISS.
Observações cosmola³gicas e medições coletadas no passado sugerem que a matéria comum, que inclui estrelas, gala¡xias, o corpo humano e inúmeros outros objetos / organismos vivos, representa apenas 20% da massa total do universo. Foi teorizado que a massa remanescente consiste na chamada matéria escura, um tipo de matéria que não absorve, reflete ou emite luz e, portanto, são pode ser indiretamente observada por meio de efeitos gravitacionais no ambiente circundante.
Embora a natureza exata desse tipo elusivo de matéria ainda seja desconhecida, nas últimas décadas, os fasicos identificaram muitaspartículas que va£o além do modelo padrão(a teoria que descreve algumas das principais forças físicas do universo) e que poderia ser boa matéria escura candidatos. Eles então tentaram detectar essaspartículas usando dois tipos principais de detector departículas avana§ado: detectores semicondutores em escala de grama (geralmente feitos de silacio e usados ​​para procurar matéria escura de baixa massa) e detectores de gases em escala de toneladas (que tem limites de detecção de energia mais altos e são mais adequados para realizar pesquisas de matéria escura de alta massa).
A Colaboração EDELWEISS, um grande grupo de pesquisadores que trabalha na UniversitéLyon 1, UniversitéParis-Saclay e outros institutos na Europa, realizou recentemente a primeira pesquisa de matéria escura Sub-MeV usando um detector baseado em germa¢nio (Ge). Embora a equipe não tenha sido capaz de detectar matéria escura, eles estabeleceram uma sanãrie de restrições que podem informar futuras investigações.
"EDELWEISS éum experimento de pesquisa direta de matéria escura. Como tal, nosso objetivo principal édetectar a matéria escura para trazer uma prova irrefuta¡vel de sua existaªncia", disse Quentin Arnaud, um dos pesquisadores que realizaram o estudo, ao Phys.org. "Ainda assim, a ausaªncia de detecção éum resultado importante em si, porque nos permite testar e definir restrições nos modelos departículas de matéria escura existentes."
Existem duas razões principais pelas quais aspartículas de matéria escura escaparam a detecção. Primeiro, a probabilidade de que essaspartículas interajam com a matéria comum , como a que existe dentro dos detectores departículas convencionais, éextremamente pequena.
Em segundo lugar, o sinal que os pesquisadores esperam que surja de uma partacula de matéria escura colidindo com o detector évárias ordens de magnitude menor do que os sinais produzidos pela radioatividade natural. A detecção desses sinais exigiria, portanto, tempos de exposição do detector muito longos e o uso de instrumentos feitos de materiais puros de ra¡dio, mas que também fossem adequadamente protegidos e operados no subsolo, pois isso os impede de captar a radioatividade ambiente e os raios ca³smicos.
"Eventualmente (apesar de todos os nossos esforços), sempre havera¡ algum fundo residual que precisamos ser capazes de discriminar", explicou Arnaud. "Portanto, desenvolvemos tecnologias de detecção com a capacidade de determinar se os sinais que detectamos são induzidos por uma partacula de matéria escura ou se originam de fundo radioativo."
Arnaud e seus colegas foram os primeiros a pesquisar matéria escura sub-MeV usando um detector criogaªnico de germa¢nio de 33,4 g em vez de um detector departículas a base de silacio. Eles procuraram especificamente porpartículas de matéria escura que interagiriam com os elanãtrons. O detector que eles usaram foi operado no subsolo no Laboratoire Souterrain de Modane, na Frana§a.
"A energia depositada em nosso detector após uma interação departículas de matéria escura deve ser extremamente pequena (<1 keV)", disse Arnaud. "Ao procurar porpartículas de matéria escura clara (massas sub-MeV), éainda pior: a energia depositada pode ser tão pequena quanto alguns eV, depa³sitos de energia tão pequenos que apenas algumas tecnologias de detecção de última geração podem sersensívela eles. "
O detector usado pela colaboração da EDELWEISS consiste essencialmente em um cristal cilandrico de germa¢nio resfriado a temperatura criogaªnica (18 mK ou -273,13 C °), com eletrodos de alumanio em cada lado do cristal, no qual a equipe aplicou uma diferença de alta tensão . Colisaµes entrepartículas e núcleos / a¡tomos dentro do cristal levam a produção de pares elanãtron-buraco, que induzem um pequeno sinal de carga (isto anã, corrente) a medida que eles derivam em direção aos eletrodos coletores.
"Nenhuma tecnologia de detector existente pode combinar capacidade de sensibilidade e discriminação de detecção de um aºnico elanãtron", disse Arnaud. "Experimentos de detecção direta otimizados para buscas de matéria escura de alta massa são muito bons em discriminar o sinal do fundo, mas tem limites de detecção de energia relativamente altos. Experimentos de busca de matéria escura de baixa massa - incluindo EDELWEISS - tem limites de detecção de baixa energia sem precedentes, mas não conseguem discriminar o sinal do fundo. Com o SELENDIS, nosso objetivo écombinar os dois desenvolvendo o primeiro detector combinando a sensibilidade do par de lacunas de elanãtron aºnico e as capacidades de discriminação de fundo. "
Além disso, a colisão de uma partacula com a estrutura do cristal induz um pequeno aumento na temperatura (ou seja, abaixo de 1 micro-Kelvin). Essa mudança na temperatura pode ser medida usando um sensor tanãrmico muitosensívelconhecido como sensor dopado por transmutação de naªutrons (NTD). Como os depa³sitos de energia que teoricamente deveriam surgir departículas de matéria escura sub-MeV são incrivelmente pequenos (ou seja, na escala eV), no entanto, o sinal de carga associado seria muito pequeno para ser mensura¡vel e o aumento na temperatura muito pequeno para ser medido por um sensor NTD.
"Para resolver esse problema, nosso detector explora o que échamado de efeito Neganov-Trofimov-Luke (NTL) (que em certa medida ésemelhante ao efeito Joule): em detectores semicondutores criogaªnicos, a deriva de N pares de elanãtron-buraco em uma voltagem A diferença produz calor adicional cuja energia se soma ao depositado inicial ", disse Arnaud. "Este efeito Neganov-Trofimov-Luke (NTL) essencialmente transforma um calorametro criogaªnico (operado em ΔV = 0V) em um amplificador de carga. Um pequeno depa³sito de energia acaba dando origem a uma alta (mensura¡vel) elevação de temperatura e quanto maior a voltagem, quanto maior o ganho de amplificação. "
Arnaud e seus colegas estabeleceram novas restrições a mistura cinanãtica de fa³tons escuros. No geral, as descobertas coletadas demonstram a alta releva¢ncia e valor dos detectores criogaªnicos de germa¢nio na busca contanua por interações de matéria escura que produzem sinais de elanãtrons em escala eV.
A colaboração da EDELWEISS estãoagora desenvolvendo um conjunto de detectores mais poderosos chamados SELENDIS (Single ELEctron Nuclear recoil DIScrimination). A característica mais importante desses novos detectores éuma técnica de discriminação inovadora que permitira¡ a equipe diferenciar entre recuos nucleares e eletra´nicos em um aºnico par elanãtron-buraco com a única medição de sinais de calor, em vez de exigir a medição simulta¢nea de dois observa¡veis ​​( por exemplo ,, calor / ionização, ionização / cintilação ou calor / cintilação), como éo caso das técnicas de discriminação propostas anteriormente.
"Nenhuma tecnologia de detector existente pode combinar capacidade de sensibilidade e discriminação de detecção de um aºnico elanãtron", disse Arnaud. "Experimentos de detecção direta otimizados para buscas de matéria escura de alta massa são muito bons em discriminar o sinal do fundo, mas tem limites de detecção de energia relativamente altos. Experimentos de busca de matéria escura de baixa massa - incluindo EDELWEISS - tem limites de detecção de baixa energia sem precedentes, mas não conseguem discriminar o sinal do fundo. Com o SELENDIS, nosso objetivo écombinar os dois desenvolvendo o primeiro detector combinando a sensibilidade do par de lacunas de elanãtron aºnico e as capacidades de discriminação de fundo. "
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