El concepto de detección ideado por los investigadores. Crédito:Abramoff et al.
En un estudio reciente, un equipo de investigadores ha presentado nuevas restricciones de detección directa en la materia oscura eV-a-GeV que interactúa con los electrones, utilizando un nuevo prototipo de detector desarrollado como parte del proyecto Sub-Electron-Noise Skipper-CCD Experimental Instrument (SENSEI). La colaboración SENSEI está compuesta por investigadores de varias instituciones, incluido el Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab), el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab), Universidad de Stony Brook, Universidad de Tel Aviv y Universidad de Oregon.
"El objetivo de SENSEI es buscar materia oscura en el rango de masa de 1 eV a 1 GeV, es decir, muchos órdenes de magnitud en masa por debajo del protón, "Rouven Essig, uno de los investigadores que llevaron a cabo el estudio y un miembro de la facultad de la Universidad de Stony Brook, dijo Phys.org. "Esto se puede hacer buscando interacciones de materia oscura con electrones. Sin embargo, realizar una búsqueda de este tipo requiere detectores ultrasensibles, ya que cuando la materia oscura se dispersa de un electrón, produce solo una pequeña cantidad de carga en un detector. SENSEI utiliza dispositivos de carga acoplada (CCD) que tienen un ruido de lectura ultrabajo, los denominados Skipper-CCD ".
Los Skipper-CCD utilizados por SENSEI se desarrollaron como parte de una colaboración de I + D entre Fermilab y Berkeley Lab. En estudios anteriores, el ruido de lectura era un factor limitante, ya que restringía la precisión con la que se podía medir la carga en los CCD. El uso de nuevos sensores ahora permite a los investigadores obtener una medición precisa de esta carga, lo que a su vez permite la búsqueda de interacciones de materia oscura con electrones a niveles sin precedentes.
El prototipo Skipper-CCD utilizado por los investigadores. Crédito:Abramoff et al.
En su estudio, la Colaboración SENSEI recogió datos en el Salón MINOS, una caverna de 120 pies de largo ubicada 350 pies debajo de la superficie del campus de Fermilab. La caverna MINOS contiene una versión más pequeña del detector MINOS en Sudán, que se utiliza para medir las propiedades de los neutrinos.
"Tomamos varios conjuntos de datos con un pequeño 0,1 gramo, prototipo Skipper-CCD en las instalaciones subterráneas de MINOS en Fermilab, "explicó Juan Estrada, un científico de Fermilab que participó en el estudio. "Este prototipo fue empaquetado y blindado en un recipiente de cobre".
Los investigadores llevaron a cabo una serie de experimentos. Primeramente, leen el Skipper CCD acumulando continuamente una exposición de 0,177 g / día. Aunque no observaron eventos que involucraran a tres o más electrones, encontraron una gran tasa de eventos de fondo de uno y dos electrones. Atribuyeron este hallazgo a eventos espurios inducidos por el amplificador en la etapa de lectura Skipper-CCD.
El prototipo Skipper-CCD utilizado por los investigadores. Crédito:Abramoff et al.
El prototipo Skipper-CCD utilizado por los investigadores. Crédito:Abramoff et al.
La Colaboración SENSEI también probó una segunda estrategia, lo que implicó tomar cinco conjuntos de datos mientras se apagaban todos los amplificadores y se exponía el CCD Skipper durante 120k. Después, los investigadores leen los datos a través del mejor amplificador prototipo disponible. En este caso, observaron una tasa de eventos de un electrón que era casi 2 órdenes de magnitud más baja que la tasa de eventos observada en su experimento de lectura continua. Una vez más, no observaron eventos que contengan tres o más electrones, para una exposición de 0,069 g / día.
"Nuestros datos pudieron establecer nuevas restricciones sobre la materia oscura, incluidas las mejores restricciones sobre la dispersión de electrones de materia oscura para masas en el rango de 500 keV a 5 MeV, "dijo Tien-Tien Yu, un miembro de la facultad de la Universidad de Oregon que llevó a cabo el estudio. "Estos datos se tomaron con un detector prototipo. Uno de nuestros principales objetivos era mejorar nuestra comprensión del comportamiento del detector para que estemos listos para recopilar datos con sensores mejorados en el futuro".
La Colaboración SENSEI utilizó los datos recopilados en su estudio para derivar las restricciones líderes en el mundo sobre la dispersión de materia oscura-electrones (para masas entre 500keV y 5MeV), así como en materia oscura de fotones oscuros que está siendo absorbida por electrones (para un rango de masas por debajo de 12,4 eV). Estos resultados podrían mejorar su comprensión de los detectores y, en última instancia, informar la recopilación de datos utilizando sensores más avanzados.
El prototipo Skipper-CCD utilizado por los investigadores. Crédito:Abramoff et al.
"Ahora estamos adquiriendo nuevos Skipper-CCD mejorados, con el que construiremos un detector mucho más grande, "dijo Javier Tiffenberg, un científico de Fermilab que participó en el estudio. "Después de probar los nuevos sensores, tomaremos nuevos datos en Fermilab y en SNOLAB (Canadá) para buscar materia oscura ".
En la actualidad, la colaboración de SENSEI está adquiriendo aproximadamente 100 g de nuevos Skipper-CCD y electrónica personalizada para un experimento en SNOLAB, que se instalarán a finales de este año. Según las predicciones de los investigadores, estos sensores deberían superar significativamente a los actuales, con un rendimiento de ruido mejorado y una tasa de recuento de oscuridad más baja.
Tomer Volansky, un miembro de la facultad de la Universidad de Tel Aviv que forma parte de la colaboración de SENSEI, declaró:"La búsqueda resultante sondeará órdenes de magnitud del nuevo espacio de parámetros de materia oscura. Estamos muy entusiasmados con lo que nos espera".
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