제논

XENON
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이탈리아 그란 사소 국립 연구소에서 운영되는 제논 암흑 물질 연구 프로젝트는 암흑 물질 입자 탐지를 목표로 하는 점점 더 야심 찬 실험을 특징으로 하는 깊은 지하 연구 시설이다.이 실험은 액체 제논 표적 챔버에서 핵 반동을 통한 희귀한 상호작용을 찾아 약하게 상호작용하는 형태의 입자를 검출하는 것을 목표로 한다.전류 검출기는 이중 위상 시간 투영 챔버(TPC)로 구성된다.

이 실험은 입자가 액체 제논 부피에서 상호작용할 때 발생하는 섬광과 이온화를 감지하여 알려진 배경에서 초과된 핵 반동 사건을 찾아낸다.그러한 신호의 검출은 암흑물질 후보 입자에 대한 최초의 직접적인 실험 증거를 제공할 것이다.이 공동작업은 현재 콜롬비아 대학의 이탈리아 물리학과 엘레나 어플레 교수가 주도하고 있다.

검출기 원리

제논 듀얼 위상 TPC의 작동 원리 스케치

제논 실험은 이중 위상 시간 투영 챔버(TPC)를 작동하며, 액체 제논 표적을 기체 위상에 활용한다.가스상(GXe)에서 검출기 상단과 액체층(LXe) 하단에 각각 하나씩 있는 두 개의 광전자 증배관(PMT) 배열은 충전된 입자가 검출기에서 상호작용할 때 발생하는 섬광과 전기 발광을 검출한다.전기장은 검출기의 액체상 및 기체상 모두에 적용된다.기체상에서의 전기장은 액체상으로부터 전자를 추출할 수 있을 정도로 충분히 커야 한다.

액체 대상의 입자 상호작용은 섬광과 이온화를 생성한다.즉석 섬광은 178nm의 자외선 광자를 생성한다.이 신호는 PMT에 의해 감지되며 S1 신호라고 한다.적용된 전기장은 TPC에서 충전된 입자 상호작용에서 생성된 모든 전자의 재조합을 방지한다.이들 전자는 전기장에 의해 액상 상단으로 표류한다.그런 다음 이온화는 기체 단계에서 더 강한 전기장에 의해 기체 단계로 추출된다.전자는 PMT에 의해 수집되는 비례 섬광 신호를 생성할 정도로 전자를 가속하며, 이를 S2 신호라고 한다.이 기술은 단일 전자에서 생성되는 S2 신호를 검출할 만큼 민감하다는 것이 입증됐다.[1]

검출기는 입자 상호작용을 완전히 3-D 위치로 결정할[2] 수 있다.액체 제논의 전자는 균일한 표류 속도를 가진다.이를 통해 S1 신호와 S2 신호 사이의 시간 지연을 측정하여 사건의 상호작용 깊이를 결정할 수 있다.x-y 평면에서 이벤트의 위치는 각각의 PMT가 보는 광자의 수를 보고 결정할 수 있다.전체 3-D 위치는 TPC의 내부 볼륨에서 저배경 영역이 정의되는 검출기의 기준화를 허용한다.이 기준 볼륨은 액체 제논의 자기 차폐 특성 때문에 TPC 가장자리의 검출기 영역에 비해 배경 사건 발생률이 크게 감소한다.이것은 매우 희귀한 사건을 검색할 때 훨씬 더 높은 민감도를 허용한다.

검출기를 통해 이동하는 전하 입자는 전자 반동을 생성하는 제논 원자의 전자와 상호 작용하거나 핵과 상호 작용하여 핵 반동을 발생시킬 것으로 예상된다.검출기의 입자 상호작용에 의해 축적된 특정 에너지 양의 경우, S2/S1의 비율을 전자 반동 사건과 핵 반동 사건을 구별하기 위한 구별 매개변수로 사용할 수 있다.[3]이 비율은 핵반동보다 전자반동의 경우 더 클 것으로 예상된다.이러한 방식으로 전자 반동으로 인한 배경은 99% 이상 억제되는 동시에 핵 반동 사건의 50%를 유지할 수 있다.

제논10호

제논100호의 크라이오스타트 및 실드.방패는 물 20 cm, 납 20 cm 층, 폴리에틸렌 20 cm 층, 내부에는 구리 5 cm 층으로 구성되어 있다.

제논10호 실험은 2006년 3월 이탈리아의 지하 그란 사소 연구소에 설치되었다.실험실의 지하 위치는 3100m의 물 등가 차폐를 제공한다.검출기는 TPC의 배경 속도를 더욱 줄이기 위해 실드 안에 배치되었다. 제논 10호는 제논 설계의 유효성을 증명하는 동시에 달성 가능한 임계값, 배경 제거 전력 및 감도를 검증하기 위한 프로토타입 검출기로 의도되었다.제논10호 검출기에는 15kg의 액체 제논이 들어 있었다.TPC의 민감한 부피는 직경 20cm, 높이 15cm이다.[4]

2006년 10월부터 2007년 2월까지 59일의 실시간 데이터를 분석한 결과 WIMP 서명이 생성되지 않았다.WIMP 검색 영역에서 관찰된 이벤트 수는 전자 반동 배경에서 예상되는 이벤트 수와 통계적으로 일치한다.이 결과는 30 GeV/c2 WIMP 질량에 대해 스핀 독립형 WIMP-뉴클레온 단면들을 10×10−43 cm2 이하로 제한함으로써 최소 초대칭 모델에서 사용 가능한 매개변수 공간의 일부를 제외했다.[5]

거의 절반의 천연 제논이 홀수 스핀 상태를 가지고 있기 때문에(129Xe는 풍부 26%, 스핀-1/2; Xe는 풍부 21%, 스핀3/2), 제논 검출기는 또한 암흑 물질 후보 입자를 중성자와 양성자 모두에 결합하기 위해 스핀 의존성 WIMP-뉴클레온 단면에 대한 한계를 제공하는 데 사용될 수 있다.제논10호는 순수 중성자 커플링에 대한 세계에서 가장 엄격한 제한을 설정했다.[6]

제논100호

Borrom PMT Array of XENON100
제논100의 상단 PMT 배열에는 하마마츠 R8520-06-A1 PMT 98개가 포함되어 있다.상단 배열의 PMT는 관측된 이벤트의 방사형 위치 재구성을 개선하기 위해 동심원 안에 배치된다.
Borrom PMT Array of XENON100
제논100의 하단 PMT 배열에는 광 채집 효율을 극대화하기 위해 가능한 가깝게 간격을 두고 80 PMT가 포함되어 있다.

2상 검출기 제논100호에는 액체 제논 165kg이 들어 있으며, 대상 부위는 62kg, 나머지 제논은 적극 거부권을 행사하고 있다.검출기의 TPC는 지름이 30 cm이고 높이가 30 cm이다.WIMP 상호작용이 극히 드문 사건이 될 것으로 예상됨에 따라 제논100의 시공 및 커미셔닝 단계에서 검출기의 모든 부분에 방사능이 있는지 검사하는 철저한 캠페인이 시작되었다.선별은 고순도 게르마늄 검출기를 사용하여 수행되었다.몇몇 경우에 질량 분광은 저중량 플라스틱 샘플에 대해 수행되었다.그렇게 함으로써 세계 최저의 백그라운드율 암흑물질 검출기를 실현하면서 <10종목−2/kg/day/keV>의 설계 목표에 도달했다.

검출기는 2008년 제논10호 검출기와 같은 차폐물로 그란사소 국립연구소에 설치돼 여러 차례 과학운전을 실시했다.각 과학 주행에서 예상 배경보다 높은 암흑 물질 신호가 관찰되지 않아 2012년 스핀 독립형 WIMP-뉴클레온 횡단면에 가장 엄격한 제한이 적용되었으며, 65 GeV/c2 WIMP 질량의 경우 최소 2.0×10−45 cm로2 나타났다.[8]이러한 결과는 암흑물질 상호작용으로서 다른 실험의 신호에 대한 해석을 제약하고, 이러한 불일치를 해결할 수 있는 비탄성 암흑물질과 같은 이국적인 모델을 배제한다.[9] 제논100은 또한 스핀 의존형 WIMP-뉴클레온 단면에도 개선된 한계를 제공했다.[10]2014년 액시온 결과가 발표돼 새로운 최고 액시온 한도를 설정했다.[11]

제논100호는 50 mDRU(1 mDRU=10−3 events/kg/day/keV)의 배경으로 암흑 물질 검색의 경우 당시 가장 낮은 백그라운드 실험을 운영했다.[12]

제논1T

다음 단계인 제논1T 건설은 2014년 그란사소 국립연구소 B홀에서 시작되었다.검출기에는 3.2톤의 초무선 퓨어 액체 제논이 들어 있으며 기준 부피는 약 2톤이다.검출기는 뮤온 거부권 역할을 하는 10m 물탱크에 수용된다.TPC는 지름 1m, 높이 1m이다.

제논 공동작업으로 불리는 검출기 프로젝트팀은 유럽과 중동, 미국의 22개 기관에 걸쳐 135명의 조사관으로 구성되어 있다.[13]

최근 데이터에 따른 스핀 독립형 WIMP-핵 단면 상한(2017년 11월 발표)

제논1T의 첫 번째 결과는 2016년 11월부터 2017년 1월까지 34일간의 데이터 수집을 바탕으로 2017년 5월 18일 제논 공동작업에 의해 발표되었다.공식적으로 WIMP나 암흑물질 후보 신호가 검출되지 않았지만, 연구팀은 제논1T가 검출한 배경 방사능 수치가 사상 최저 수준으로 감소했다고 발표했다.제외 한계는 35 GeV/c의2 WIMP 질량에 대해 7.7×10−47 cm보다2 큰 단면을 제외하고 LUX 실험에서 설정한 이전의 최고 한계를 초과했다.[14][15]검출기가 수신하는 일부 신호는 중성자 때문일 수 있기 때문에 방사능을 감소시키면 WIMP에 대한 민감도가 증가한다.[16]

2018년 9월 제논1T 실험은 278.8일 간의 데이터 수집 결과를 발표했다.30 GeV/c의2 WIMP 질량에서 최소 4.1×10−47 cm의2 WIMP-뉴클레온 스핀-독립 탄성 상호작용에 대한 새로운 기록 한계가 설정되었다.[17]

2019년 4월 제논1T 검출기로 수행된 측정을 바탕으로 제논 공동작업은 제논-124 핵에서 두 중성자 이중 전자 포획에 대한 최초의 직접 관찰 결과를 네이처에 보고했다.[18]우주의 나이보다 몇 배나 더 큰 크기인 이 과정의 측정 반감기는 희귀한 사건을 찾는 제논 기반 검출기의 능력을 보여주며 훨씬 더 큰 차세대 실험의 광범위한 물리학적 도달 범위를 보여준다.이 측정은 중성미자 이중 전자 포획 과정을 찾는 첫 번째 단계를 나타내며, 그 검출은 중성미자의 성질에 대한 통찰력을 제공하고 절대 질량을 결정할 수 있다.

2019년을 기점으로 제논1T 실험은 다음 단계인 제논nT의 건설을 허용하기 위한 데이터 수집을 중단했다.[19]제논1T 검출기는 2016~2018년 작동했으며,[20] 검출기 조작은 2018년 말에 종료됐다.[21]

2020년 6월, 제논1T 협업을 통해 전자 반동이 285건으로 예상된 232건보다[22][23] 53건 많고 통계적 유의성이 3.5σ인 것으로 보고되었다.[24]세 가지 설명을 고려했다. 즉, 현재까지 존재하는 고화질 태양 축, 중성미자의 경우 놀랄 만큼 큰 자기 모멘트, 검출기의 삼중수소 오염.다른 그룹들은 나중에 여러 가지 다른 설명을 했고 2021년에는 암흑 물질 입자가 아닌 카멜레온이라고 불리는 암흑 에너지 입자로 그 결과에 대한 해석도 논의되었다.[26][27]

제논nT

제논nT는 LNGS 지하에서 제논1T 실험을 개량한 것이다.그것의 시스템은 총 8톤 이상의 제논 질량을 포함할 것이다.시간 투영실에 있는 더 큰 제논 표적과는 별도로, 업그레이드된 실험은 측정의 배경을 구성하는 방사선을 더욱 줄이거나 태그를 부착하기 위한 새로운 구성요소를 특징으로 할 것이다.중성미자가 중요한 배경이 되는 감도(질량 범위의 작은 부분)에 도달하도록 설계되었다.2019년 현재 업그레이드는 진행 중이며 2020년 첫 조명이 예상된다.[19][28]

제논nT 검출기는 2020년 3월 건설 중이었다.COVID-19의 문제점에도 불구하고, 이 프로젝트는 공사를 마치고 2020년 중반까지 커미셔닝 단계로 나아갈 수 있었다.전체 검출기 작동은 2020년 말에 시작되었다.[21][29]제논nT는 2021년 9월 당시 진행 중이던 첫 과학운행을 위해 과학데이터를 수집하고 있었다.[30]

참조

  1. ^ Aprile, E.; et al. (XENON100 Collaboration) (2014). "Observation and applications of single-electron charge signals in the XENON100 experiment". Journal of Physics G. 41 (3): 035201. arXiv:1311.1088. Bibcode:2014JPhG...41c5201A. doi:10.1088/0954-3899/41/3/035201. S2CID 28681085.
  2. ^ Aprile, E.; et al. (XENON100 Collaboration) (2012). "The XENON100 dark matter experiment". Astroparticle Physics. 35 (9): 573–590. arXiv:1107.2155. Bibcode:2012APh....35..573X. CiteSeerX 10.1.1.255.9957. doi:10.1016/j.astropartphys.2012.01.003. S2CID 53682520.
  3. ^ Aprile, E.; et al. (2014). "Analysis of the XENON100 dark matter search data". Astroparticle Physics. 54: 11–24. arXiv:1207.3458. Bibcode:2014APh....54...11A. doi:10.1016/j.astropartphys.2013.10.002. S2CID 32866170.
  4. ^ Aprile, E.; et al. (XENON10 Collaboration) (2011). "Design and Performance of The XENON10 Experiment". Astroparticle Physics. 34 (9): 679–698. arXiv:1001.2834. Bibcode:2011APh....34..679A. doi:10.1016/j.astropartphys.2011.01.006. S2CID 118661045.
  5. ^ Angle, J.; et al. (XENON10 Collaboration) (2008). "First Results from the XENON10 Dark Matter Experiment at the Gran Sasso National Laboratory". Physical Review Letters. 100 (2): 021303. arXiv:0706.0039. Bibcode:2008PhRvL.100b1303A. doi:10.1103/PhysRevLett.100.021303. PMID 18232850. S2CID 2249288.
  6. ^ Angle, J.; et al. (XENON10 Collaboration) (2008). "Limits on spin-dependent WIMP-nucleon cross-sections from the XENON10 experiment". Physical Review Letters. 101 (9): 091301. arXiv:0805.2939. Bibcode:2008PhRvL.101i1301A. doi:10.1103/PhysRevLett.101.091301. PMID 18851599. S2CID 38014288.
  7. ^ Aprile, E.; et al. (XENON100 Collaboration) (2011). "Material screening and selection for XENON100". Astroparticle Physics. 35 (2): 43–49. arXiv:1103.5831. Bibcode:2011APh....35...43A. doi:10.1016/j.astropartphys.2011.06.001. S2CID 119223885.
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추가 읽기

외부 링크

좌표:42°25′14″N 13°30′59″e/42.42056°N 13.51639°E/ 42.42056; 13.51639