LZ 실험

LZ experiment
LUX-Zeplin(LZ) 실험
실험.
나라 미국
주 사우스다코타 주
웹사이트LZ 암흑물질 실험

LUX-ZEPLIN (LZ) 실험은 핵에서 약하게 상호작용하는 거대 입자 (WIMP) 산란을 관찰하기를 희망하는 차세대 암흑 물질 직접 검출 실험입니다.[1]LUX와 ZEPLIN 그룹을 합쳐 2012년에 결성되었습니다.현재 미국, 영국, 포르투갈, 한국의 30개 기관이 공동으로 참여하고 있습니다.이 실험은 사우스 다코타의 샌포드 지하 연구 시설(SURF)에 위치하고 [2]있으며, 미국 에너지부(DOE)의 로렌스 버클리 국립 연구소(Berkeley Lab)에서 관리하고 있습니다.

이 실험은 윔프-핵 상호작용의 신호를 찾기 위해 10톤의 액체 제논으로 만들어진 초감응 탐지기를 사용합니다.이는 10 GeV/c2 이상의 WIMP를 직접 검출하는 것을 주도하는 세 가지 실험 중 하나이며, 나머지 두 가지는 XENONNT 실험과 PANDAX-4T 실험입니다.

2015년 봄, LZ는 "Critical Decision Step 1" 또는 CD-1 심사를 통과하여 공식 DOE 프로젝트가 되었습니다.[3]2020년 9월 21일 미국 에너지부 관리들은 공식적으로 LZ에 대한 프로젝트 완료를 승인했습니다. DOE의 프로젝트 완료 이정표는 Critical Decision 4 또는 CD-4라고 불립니다.[4]

Low-background 디텍터로서의 LZ

윔프-핵 산란을 결정적으로 식별하기 위해서는 LZ가 활성 부피에서 매우 작은 에너지 축적을 관찰할 수 있어야 합니다.그러나 또한 알려진 입자에 의해 발생하는 다른 상호작용과 실제 윔프 산포를 구별할 수 있어야 합니다.이러한 알려진 "배경"의 예로는 환경에서 미량 방사능에 의해 생성되는 감마선, 환경에서 생성되는 중성자에 의한 상호작용, 대기 상층에서 생성되는 우주선 뮤온에 의한 상호작용이 있습니다.암흑 물질 검색의 두 가지 목표는 이러한 배경 상호 작용의 수를 최소화하고, 발생하는 배경 상호 작용의 수를 최소화하는 것이며, 발생하는 배경 상호 작용이 윔프와는 대조적으로 (배경에서 온 것임을) 식별할 수 있는 것입니다.

첫째, 가장 안쪽의 검출기는 이중 위상 제논 시간 투영 챔버(TPC)로 구성됩니다.[5][6]이 검출기는 WIMP-핵 산란의 표적입니다.다음 섹션에서 설명한 바와 같이, 이 검출기는 제논에서 상호작용 위치를 3차원 재구성할 수 있습니다.이를 통해 디텍터의 주변(측면, 상단 및 하단) 근처에서 발생하는 배경 상호 작용을 식별하고 거부할 수 있습니다.이러한 주변 상호작용은 외부 감마선 또는 중성자와 TPC 및 냉동고를 구성하는 검출기 구성요소에서 미량 방사성 핵종의 방사성 붕괴에 의한 것일 가능성이 압도적으로 높습니다.또한 액체 크세논의 밀도가 상대적으로 높기 때문에 TPC는 어느 정도 "자기 보호"를 할 수 있습니다. TPC에 들어오는 감마선(중성자)은 산란 및 정지 전에 약 몇 센티미터(10 센티미터)만 이동할 수 있습니다.따라서 디텍터의 가장 안쪽 볼륨에는 대부분 이러한 배경이 없습니다.매우 조용하기 때문에 이 가장 안쪽에 있는, 즉 "기준" 볼륨은 다른 배경 위의 WIMP 산포를 관찰하는 데 매우 민감하며, LZ의 WIMP 검색이 수행되는 공간입니다.

다음으로, TPC는 외부 감마선과 중성자의 비율을 줄이기 위해 능동 및 수동 차폐의 여러 층 안에 위치합니다.TPC는 내부 크라이오스타트에 내장되어 있으며, 이 냉동고는 제논을 액체 상태(약 178K)로 유지하는 데 필요한 온도를 유지합니다.이 내부 크라이오스탯은 더 큰 외부 크라이오스탯에 내장되어 있어 제논으로 열이 전달되는 것을 제한합니다.외부 냉동고 외부에는 액체 섬광기를 고정하는 아크릴 탱크 세트가 있습니다.이 신틸레이터는 보다 효율적인 중성자 포획을 위해 가돌리늄이 장착된 액체-알킬-벤젠(LAB)입니다.감마선 또는 중성자가 TPC 내부에서 한 번 산란한 후 방출되면 신틸레이터에 에너지를 축적할 가능성이 높습니다.이러한 에너지 퇴적물은 광학 광자의 방출을 동반하며, 이는 아크릴 탱크 외부에 위치한 광전자 증배관(PMT) 배열에 의해 감지될 수 있습니다.TPC의 산란과 동시에 그러한 신호를 관찰함으로써, 그렇지 않으면 윔프 산란처럼 보일 수 있는 TPC의 배경을 거부하는 것이 가능해집니다.이것은 감마선보다 더 멀리 침투할 수 있고 (제논의 원자 전자 대신) 윔프가 기대하는 것과 같은 방식으로 제논 핵에 산란하는 중성자에게 특히 중요합니다.외부 감지기 PMT 어레이는 더 큰 수조에 위치합니다.또한 물탱크와 액체 섬광기는 외부 감마선과 중성자에 대한 상당한 수동 차폐 기능을 제공하여 대부분의 감마선이 TPC에 진입하기 전에 이를 막습니다.전체 조립품은 약 1마일 지하, SURF의 Davis Cavern에 위치해 있습니다.이 지하 위치는 암석의 과부담을 발생시켜 지구 표면에서의 속도에 비해 TPC로 들어오는 우주선 뮤온의 비율을 현저히 감소시킵니다.LZ가 크세논 핵의 암흑 물질 산란에 대한 매우 민감한 탐색을 수행할 수 있는 탐지기임을 이와 같은 다양한 전략을 통해 확인할 수 있습니다.

LZ의 내부 감지기:듀얼 페이즈 TPC

A simple diagram of the operational principle of a dual-phase xenon TPC. During an interaction, S1 light (green) and S2 light (blue) are produced, and a fraction of each may be seen by the PMT arrays at the top and bottom of the detector. Note that this diagram is not to scale, and that LZ has many more than 4 PMTs in each array.
이중-상 제논 TPC의 작동 원리에 대한 간단한 다이어그램.상호작용 중에 S1 광(녹색) 및 S2 광(파란색)이 생성되며, 디텍터의 상단 및 하단에 있는 PMT 어레이에서 각각의 일부를 볼 수 있습니다.이 다이어그램은 스케일 조정이 아니며, LZ에는 각 배열에 4개 이상의 PMT가 있습니다.

LZ의 중심에 있는 검출기는 원통형 이중상 제논 시간 투영 챔버(TPC)입니다.[7]이것은 7톤의 액체 제논 타겟과 위의 가스 제논의 작은 영역으로 구성됩니다.작동 원리는 다음과 같습니다.윔프나 배경 산란이 일어날 때, 작은 양의 운동 에너지가 크세논 핵(또는 원자 전자)에 주어집니다.이것은 크세논 원자가 산란 장소 근처의 영역에서 리코칭되어 에너지를 신속한 섬광 광자, 자유(이온화) 전자 및 열로 변환시킵니다.다수의 신속한 섬광 광자는 검출기 상단과 하단의 광전자 증배관(PMT)에서 검출할 수 있습니다.이온화 전자는 외부에서 인가된 전기장에서 위쪽으로 이동하고 액체 표면에 도달하면 기체로 끌어당겨 더 강한 전기장에서 전계 발광 빛을 생성합니다.이 전계 발광은 지연된 "S2" 신호를 생성합니다.외부에서 생성된 전기장은 하부, 캐소드, 게이트 및 애노드의 4개의 고전압 전극 그리드에 의해 생성됩니다.[8]

종합하면, S1과 S2는 크세논에서의 상호작용 위치를 정밀하게 3D 재구성할 수 있게 해줍니다.S2는 상부 PMT 배열에 매우 가까이 있기 때문에, S2만으로도 XY에서 상호작용이 발생한 위치(즉, 검출기 축에 대한 상대적인)를 잘 파악할 수 있습니다.프롬프트 S1과 지연 S2 사이의 시간 차이는 상호작용의 깊이에 대한 프록시입니다. 주어진 전기장에서 제논 내 전자의 드리프트 속도를 사용함으로써 드리프트 시간을 물리적 깊이, 즉 Z 위치로 변환할 수 있습니다.이 XYZ 위치를 함께 사용하면 민감한 WIMP 검색을 위해 조용한 내부 기준 볼륨을 식별할 수 있습니다.또한 윔프와 같은 단일 사이트 상호 작용과 중성자 또는 감마선과 같은 배경과 같은 다중 사이트 상호 작용을 구별할 수 있습니다.

MicroBooNE와 같은 중성미자 실험에 사용되는 것과 같은 다른 종류의 시간 투영 챔버와는 달리, 여기의 이온화 신호는 S2 빛을 통해 완전히 포획됩니다. 전극에 의해 직접 측정되는 전류는 없습니다.

LZ의 윔프 서치

2023년 7월 LZ 실험에 의해 보고된 바와 같이 선택된 실험으로부터 윔프-핵자 탄성 단면의 상한.

2022년 7월, LZ 공동 작업은 약 60일치의 데이터를 사용하여 스핀 독립적인 윔프-핵 산란 단면에 대한 첫 번째 상한을 사전 인쇄에 발표했습니다.[9][10]향후 검색에서는 명목 검색 기간이 1000일인 윔프 산란을 추가로 조사할 계획입니다.

2023년 7월 28일, LZ 실험의 사전 인쇄로 이전에 발표된 WIMP에 대한 검색의 첫 번째 결과가 물리학 리뷰 레터스에 발표되었으며,[11] 같은 날 XENONT는 공동으로 90% 신뢰 수준의 36 GeV에서 × 를 초과하는 단면을 제외했습니다.[12]ing 단면 2.× - 2 2.47} 28 GeV에서 90% 신뢰수준으로[13]

참고문헌

  1. ^ Toomey, Emily (3 February 2020). "New Generation of Dark Matter Experiments Gear Up to Search for Elusive Particle". Smithsonian Magazine. Retrieved 11 April 2021.
  2. ^ LZ 연구소 기술자(재료 연구소 기술자)"사우스다코타 광산 기술 학교"의 고등 교육 과정
  3. ^ LZ 암흑물질 실험 웹페이지에 오신 것을 환영합니다.
  4. ^ "A major milestone for an underground dark matter search experiment".
  5. ^ Akerib, D.S.; et al. (2020). "The LUX-ZEPLIN (LZ) experiment". Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 953: 163047. arXiv:1910.09124. doi:10.1016/j.nima.2019.163047. S2CID 204800748.
  6. ^ Mount, B. J.; et al. (2017). "LUX-ZEPLIN (LZ) Technical Design Report". arXiv:1703.09144 [physics.ins-det].
  7. ^ Akerib, D.S.; et al. (2020). "The LUX-ZEPLIN (LZ) experiment". Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 953: 163047. arXiv:1910.09124. doi:10.1016/j.nima.2019.163047. S2CID 204800748.
  8. ^ Linehan, R.; Mannino, R. L.; Fan, A.; Ignarra, C. M.; Luitz, S.; Skarpaas, K.; Shutt, T. A.; Akerib, D. S.; Alsum, S. K.; Anderson, T. J.; Araújo, H. M. (2022-05-11). "Design and production of the high voltage electrode grids and electron extraction region for the LZ dual-phase xenon time projection chamber". Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 1031: 165955. arXiv:2106.06622. doi:10.1016/j.nima.2021.165955. ISSN 0168-9002. S2CID 235422518.
  9. ^ "A supersensitive dark matter search found no signs of the substance — yet".
  10. ^ "World's most sensitive dark matter detector starts collecting data Imperial News Imperial College London". Imperial News. Retrieved 2022-07-07.
  11. ^ Day, Charles (2023-07-28). "The Search for WIMPs Continues". Physics. 16: s106. arXiv:2207.03764. doi:10.1103/PhysRevLett.131.041002.
  12. ^ LUX-ZEPLIN Collaboration; Aalbers, J.; Akerib, D. S.; Akerlof, C. W.; Al Musalhi, A. K.; Alder, F.; Alqahtani, A.; Alsum, S. K.; Amarasinghe, C. S.; Ames, A.; Anderson, T. J.; Angelides, N.; Araújo, H. M.; Armstrong, J. E.; Arthurs, M. (2023-07-28). "First Dark Matter Search Results from the LUX-ZEPLIN (LZ) Experiment". Physical Review Letters. 131 (4): 041002. arXiv:2207.03764. doi:10.1103/PhysRevLett.131.041002.
  13. ^ XENON Collaboration; Aprile, E.; Abe, K.; Agostini, F.; Ahmed Maouloud, S.; Althueser, L.; Andrieu, B.; Angelino, E.; Angevaare, J. R.; Antochi, V. C.; Antón Martin, D.; Arneodo, F.; Baudis, L.; Baxter, A. L.; Bazyk, M. (2023-07-28). "First Dark Matter Search with Nuclear Recoils from the XENONnT Experiment". Physical Review Letters. 131 (4): 041003. arXiv:2303.14729. doi:10.1103/PhysRevLett.131.041003.

외부 링크