TECNICHE DI RIVELAZIONE DIRETTA : STATO ATTUALE:
Riassumo: si aspetta che le WIMP abbiano massa nel range GeV-TeV ; p= poche
decine di MeV ed un’energia inferiore a 100 KeV può essere trasferita ad un
nucleo in un esperimento terrestre; gli eventi aspettati sono da 1 a 10-3 per kg y di
Esposizione di un rivelatore. PER OSSERVARE EVENTI WIMP OCCORRONO
UNA SOGLIA BASSA , UN BASSISSIMO BACKGROUND , UNA GRANDE
MASSA!!.
In un rivelatore il rinculo si trasforma in un segnale misurabile come:
IONIZZAZIONE, SCINTILLAZIONE o in FONONI (aumento di temperatura);
L’osservazione simultanea di due segnali porta ad un’importante discriminazione
contro gli eventi di Background che è dovuto per la maggior parte ad ELETTRONI,che
simulano uno scattering di WIMP; altri fondi sono gli scattering di NEUTRONI su
nuclei; il decadimento di particelle a .
I rivelatori possono essere classificati in vari modi; mi sembra che la seguente
distinzione sia la più efficace:
1)RIVELATORI CRIOGENICI A STATO SOLIDO (FONONI +IONIZZAZIONE)
2)CRISTALLI SCINTILLANTI(FONONI+LUCE)
3) RIVELATORI A LIQUIDO NOBILE
4) RIVELATORI A LIQUIDO SURRISCALDATO
Considererò SOLO alcuni:
a)CDMS ,CRESST,GOGENT
b) DAMA
c) LUX e XENON100
d) COUPP, PICASSO e SIMPLE, MOSCAB
Prima farò un brevissimo richiamo sui FONONI (BOLOMETRI)
LTDs=Low Temperature Detectors
RIVELATORI CRIOGENICI ALLO STATO SOLIDO
Questi funzionano a temperature sotto Kelvin, dove si hanno ottime
risoluzioni
energetiche (<1% a 10 keV) ; essi hanno un’ottima capacità di distinguere
rinculi nucleari da quelli di elettroni; la capacità termica dipende da T3 a
basse energie e quindi piccole quantità di calore portano a rivelabili variazioni
di temperatura; la variazione di T può essere misurata sia all’equilibrio
termico , sia nella fase che precede tale equilibrio; la seconda misura
fornisce dati sulla POSIZIONE dove è avvenuto l’evento termico.
Spesso tali rivelatori sono capaci di misurare anche altre caratteristiche di
un evento, ad esempio la IONIZZAZIONE DEL RINCULO e l’insieme delle
due misure fornisce una possibilità di distinguere se il segnale è dovuto ad
uno ione o ad un elettrone.
Esperimenti di questo tipo sono:CDMS,CRESST,EDELWEISS che operano
a SOUDAN (CANADA’), ai LNGS (ITALIA) ed al FREJUS (LSM-Laboratoire
Souterrain de MODAN). CoGeNT e CDEX sono anche del tipo in
discussione.
CDMS II con 612 kg y ; CRESST con 730 kg y ; EDELWEISS+CDMS con
614 kg y; un altro esperimento è CoGeNT(Coherent Ge Neutrino Technology)
Operante con un Ge di 0.5 kg nella miniera di Soudan (MN).
TES e ST sono Sensori Termici; Transition Edge Sensors;
CDMS (CRIOGENIC DARK MATTER SEARCH)
-Breve storia: iniziano in un sito poco profondo a Stanford nel 2002;
Poi continuano nel 2003 nella miniera del Soudan (Minnesota)dal 2003
viene chiamato CDMS II; ora lavorano con superCDMS.Hanno 9.3 kg
di Ge attivo (15 DISCHI da 7.6 cm di diametro x 2.5 cm di spessore)
Si sono trasferiti a SNOLAB con 100-200 kg di rivelatore attivo costituito
da 1380 DISCHI (10 cm di diametro e 3.3 cm di spessore) e dovrebbe entrare
In funzione molto presto.
-Principio di funzionamento: oltre ai Ge hanno dei piani di Si ; Le particelle
Neutre che interagiscono nel rivelatore tramite i loro prodotti carichi, depositano
Energia sotto la forma di FONONI ed IONIZZAZIONE. Sensori di fononi in
cima al rivelatore sono connessi a 4 canali di lettura per permettere la misura
dell’energia e della posizione di un evento; questi sensori sono anche la terra
per la misura della Ionizzazione. Il campo elettrico per la misura della ionizzazione
è formato applicando un potenziale alla superficie di fondo del rivelatore che è
segmentato in 2 elettrodi concentrici; Gli eventi che segnalano ionizzazione nel
più esterno degli elettrodi (concentrici) di ionizzazione vengono rigettati, definendo
così un volume fiduciale. I rivelatori sono raggruppati in 5 torri e 6 piani per torre.
I rivelatori hanno quindi 2 nomi T1-T5 e Z1-Z6.; contatori adiacenti in una torre
possono essere connessi.
Il rapporto R=ionizzazione/E(rinculo)=ionizzazione/fononi separa gli elettroni
dai rinculi nucleari a livelli 10(-4). Un aiuto lo da anche la velocità di crescita
dell’impulso dei fononi in superficie! Questo consente di arrivare ad una separazione
elettroni-rinculo di 10-6.
Ba133Bulk g
Ba133 Surface ev.
Cf neutrons
Il Ba 133 è sorgente di g ed X EC
Evoluzione
di CDMS
T1Z5
T3Z4
R su
Energia
rinculo
R su tempo
di risalita
R su Energia
Del Rinculo
2 Punti (rossi)
candidati
R su Rising
Time;
2 Punti rossi
(candidati)
Conclusione : 2 Eventi—Fondo aspettato 0.4
C R E S S T (Lab. Naz. Del GRAN SASSO):Cryogenic Rare Event Search with
Superconducting Thermometers
Coll. Max-Plank and Universitat of Munken;Coimbra,Vienna,Tubingen,Oxford
L’esperimento CRESST utilizza due informazioni:
a) La luce con 18 cristalli di CaWO4 scintillanti e connessi a rivelatori di luce (P.M.)
(Tungstato di Ca)
Questi cristalli operano come calorimetri criogenici; ciascuno è è connesso ad un
sensore di calore (TES Transition Edge Sensor)
b) Segnale di luce: i rinculi nucleari emettono << luce degl elettroni e gamma.
La misura di b) è usata per discriminare evento x evento dal fondo di elettroni
Invece la misura a) fornisce la precisa misura dell’energia depositata nel cristallo.
Utilizzano circa 30kgxdays ed accettano gli eventi che emettono meno luce
dell’ossigeno. Definiscono light yield LY =Elight/Ephonons
Quantità di luce
Su Energia evento
---Linea
dell’Ossigeno=limi
te per WIMP
Calibrazioni con Co57 (vedi varu Picchi)
Red.ideale
Blu con tutt
i tagli
imposti
Conteggi su Energia(keV); i picchi a 2.6 e 11.3 keV sono attribuibili alla
CE del Tl179; in Fig. 3 efficienza ottenuti con impulsi di calore
O 16
Ca 40
W 184
Frazione di
Segnale
Dovuta ai vari
elementi
Su Massa WIMP
Red=CRESST
Green=SUPER
CDMS
Blue=LUX and
Xe100
Orange =DAMA
LIBRA
Wimp sezione
d’urto Su M
Wimp;
CRESST
efficace a
BASSE MASSE
CoGeNT ( Coherent Germanium Neutrino Technology) Ge a 77 K
Coll..Pacific Northwest Lab.USA; CANBERRA; University of Washington
-Dati raccolti: a) in piccole profondità b)in SOUDAN UNDRGROUND
LAB.(SUL); nel 2011 incendio!
-Ricercano in particolare la MODULAZIONE come DAMA-LIBRA ed hanno
un eccesso di eventi(2.8 s).
-Il rivelatore GE usa un p-type point contact (PPC) cha una bassa energia di
soglia ed una ottima capacità di rigetto di eventi in superficie. La sua massa
è 0.440 kg
-Separano gli eventi di fondo (vicino alle superfici) considerando il tempo di
crescita ,che è maggiore (le cariche libere sono di più in superficie e
schermano maggiormente l’impulso di elettroni e positroni).
Dividono in 4 parti:1)tra
0.5 e 2 keV e <0.7 ms
2)2.0-4.5 keV e<0.7 ms
3)0.5-2 keV e >0.7 ms
4)2.0-4.5 keV e>0.7ms
Trovano che solo dal
bulk si hanno
oscillazioni simili a
DAMA-LIBRA
→
Sì Sono Indicati i
picchi di DAMA
→
No
→
No
→
No
Uso di COGENT
+DAMA Sposta
La sigma a più
basse
Masse;CDMS
Esclude quasi tut
Ed anche LUX e
Xenon escludono
I risultati di DAMA
8 W. Rau – MPI-HD, February 2013
Evidence
Dark Matter
Analysis
Super CDMS
Conclusion
CDMS
CDMS Technology
Detectors Cryogenic ionization
detectors, Ge (Si)
∅ = 7 cm, h = 1 cm, m = 250 g (100 g)
Thermal readout: superconducting
phase transition sensor (TES)
Transition temperature: 50 – 100 mK
4 sensors/detector, fast signal (< ms)
Charge readout: Al electrode, divided
Low bias voltage (3 V, to minimize
Luke effect)
CRISTALLI SCINTILLANTI
ESPERIMENTO DAMA-LIBRA(Dark MAtter-Large sodium Iodide Bulk for
RAre processes)
-Cercano la modulazione di un segnale di D.M.; la TERRA si v mdoveuove
rispetto al SOLE .Sia f(v) la distribuzione di velocità della D.M. rispetto al centro
Galattico (f(v) in media sarà =0); così nel lab.(sulla terra) si avrà :
f(v,t)=((vobs(t)+v
dove vobs= vsole+ vterra(t)
;
Vobs(t)= Vsole [e1 cos(w(t-t1) + e2 sin(w(t-t1)]
Che diventa in un opportuno sistema di riferimento con sviluppo di Fourier:
dR/dE(E,t)≈S0(E)+Sm(E)cos(w(t-t0) dove Sm<<S0
w= 2 p/anno e t0= fase
-Usano 250 kg di NaI(Tl) : è uno scintillatore; l’esperimento ha accumulato
1.17 ton-y. 25 cristali da 9.7 kg ciascuno sono circondati da strati di
Cu,Pb,Cd,polietilene,paraffina + un blocco (1 m) di cemento. LoStrumento
è sensibile con 5-8 fotoelettroni per 2 keV:fondo molto poco(40K)
-Con 13 anni di esposizione ed ha 9 s di certezza della modulazione con una
FASEdi Maggio 26 ±7 giorni (Le previsioni dello SHM sono 1 Giugno).
-Hanno il segnale di modulazione tra 2-6 keV, scompare tra 6-14 kev..
Giugno il
Vento di Wimp
Ha velocità >
Sagittario
Lo stream
È
ortogonale
Al piano
galattico
e non
altera la
velocità
parallela al piano
Fit con masse di WIMP
76 e 11 GeV;
Asse x=energia del rinculo
Asse y=ampiezza di modulazione
con errore
RIVELATORI CON
LIQUIDI
NOBILI
-Questi corrispondono sostanzialmente a due esperimenti con Xenon:
-LUX (esperimento in USA e Xenon100 in Italia (Gran Sasso)
L U X (Large Underground Xenon experiment
Coll. :Harward,Imperial College,L.B.L.,etc.
E’ realizzato a Sanford Underground Laboratory (SURF) nella miniera di
Homestake (quella di DAVIS) in South Dakota-Copertura di circa 2400 m.w e;
-Utilizzano 370 kg di Xenon liquido in una TPC; interazioni nello Xenon liquido
generano FOTONI ultravioletti ed ELETTRONI: i FOTONI sono visti da due
Gruppi di P.M. ( 61 ciascuno) e costituiscono il segnale S1. Gli ELETTRONI
Sono spinti verso l’alto da un campo elettrico che li conduce nello XENON
Gassoso.e producono fotoni di elettroluminescenza costituendo un segnale
Chiamato S2.
Asse x= segn. S1
Asse
y=log(S2/S1)
Taratura con
Trizio(in
alto).(elettroni)
Taratura con
AmBe (basso)
Linee tratt, 1.3
sigma
1 mDRU=1/(1000 KeV)
Run: quasi tutti in zona elettroni e gamma)
Fondo : 2.6+-0.2+- 0.4; Segnale 3.6+-0.3
X E N O N 100
UNIVERSITY
Coll. COLUMBIA ZURICH LNGS CALIFORNIA
-L’esperimento è in funzione ai LNGS
-Usano un bersaglio attivo di 62 kg circondato da un veto LXe di 99 kg
-La tecnica è simile a quella di LUX :1) SCINTILLAZIONE RAPIDA NEL
LIQUIDO e 2)SCINTILLAZIONE PROPORZIONALE nel gas sovrastante
-Lo Xe ha una fortunata combinazione di due vantaggi: 1) Volume omogeneo ed
ultra puro di LXe 2)Possibilità di misurare NON solo l’energia di un evento,ma
anche la localizzazione tridimensionale.
-Il rivelatore è una TPC simile a quella di LUX che fornisce due segnali:
S1 (Luce scintillante rapida) ;S2 che misura la ionizzazione nel GAS.
Il rapporto S2/S1 fornisce anche una separazione tra eventi con gamma ed elettroni
ed eventi con soli rinculi nucleari
S1
S2
Drift time
Anodo
Catodo
P.M.(cerchi)
P.M. più vicini
possibile
Efficienza quantica
Blu in alto; rosso in
basso
Asse x=energia
Asse y=log(S2/S1)
Asse x=R2 (cm2)
Asse y= Z
Rosso=volume
fid. ; gli eventi
sono al bordo!
10-39 cm2
Verde = Xenon 100
limiti
10-45 cm2
1000 GeV
FINE TRASPARENZE DI LEZDOTT1