Esta imagen muestra el nuevo módulo skipper-CCD de SENSEI. Crédito:Colaboración SENSEI
¿Qué lo convierte en un buen detector de materia oscura? Tiene mucho en común con una buena configuración de teleconferencia:necesita un micrófono sensible y una sala silenciosa.
Los científicos que trabajan en el experimento SENSEI en el Fermilab del Departamento de Energía han demostrado por primera vez un detector de partículas, basado en un dispositivo de carga acoplada, o CCD, tecnología:con la sensibilidad y las velocidades de fondo reducidas necesarias para una búsqueda eficaz de partículas de materia oscura de baja masa, la misteriosa sustancia que representa alrededor del 80 por ciento de toda la materia del universo.
La demostración es importante de dos formas. Primero, las velocidades de fondo medidas por el detector SENSEI son mínimos históricos para un detector de silicio. Establecieron los límites más estrictos del mundo sobre las interacciones de la materia oscura con los electrones, en una amplia gama de modelos. Segundo, muestra la alta calidad de los detectores que se utilizarán en el experimento SENSEI a gran escala en construcción. SENSEI funcionará en el laboratorio subterráneo profundo de SNOLAB de Canadá.
El detector SENSEI es un CCD de 5,4 megapíxeles hecho de 2 gramos de silicio que actualmente funciona a unos 100 metros bajo tierra en Fermilab. Si una partícula de materia oscura choca con uno de los electrones del silicio, la energía transferida al electrón puede ser suficiente para liberarlo de la estructura cristalina del silicio. Si hay suficiente energía, se liberarán electrones adicionales. Esta carga es la señal que buscan los científicos de SENSEI. Cuanto menor sea la señal que pueda detectar SENSEI, cuanto más amplia sea la gama de modelos de materia oscura que puede probar.
Esto muestra el módulo CCD SENSEI en el recipiente del detector. Crédito:Colaboración SENSEI
Para observar pequeñas señales de materia oscura, lo primero que necesitan los científicos es un detector sensible. En otras palabras, deben ser capaces de detectar una pequeña señal y distinguirla de forma coherente de un detector realmente vacío. Como se demostró en trabajos anteriores, CCD-patrón de SENSEI, diseñado por el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, puede contar el número exacto de electrones en cada píxel.
Segundo, Los científicos necesitan un bajo nivel de antecedentes:la tasa de eventos similares a señales de causas distintas de la materia oscura tiene que ser pequeña. Un detector sensible con un fondo alto es como un micrófono de estudio en una habitación ruidosa. Incluso si el micrófono puede captar un susurro, su voz suave podría quedar ahogada por el ruido de fondo de la lavadora. La única forma de mejorar la grabación es eliminar el ruido de la lavadora.
En estos datos de prueba, tomado con un tiempo de adquisición muy largo, graficamos la carga medida en cada píxel. La verdadera carga es, por supuesto, siempre un número entero de electrones. La precisión de la medición es una pequeña fracción de un electrón, por lo que los píxeles de 0 electrones y 1 electrón están bien separados, y no hay posibilidad de categorizar incorrectamente un píxel vacío. Crédito:Colaboración SENSEI
La colaboración de SENSEI ahora ha demostrado por primera vez que tiene un detector de materia oscura sensible y puede reducir las tasas de fondo. Es importante demostrar que un detector puede lograr tasas de fondo bajas antes de escalar a un experimento más grande con la misma tecnología. porque de lo contrario, solo aumentará su tasa de fondo. Las búsquedas anteriores de materia oscura realizadas por SENSEI utilizaron prototipos de CCD, que tenían una alta sensibilidad pero también fondos altos porque no estaban hechos con silicio de la más alta calidad.
SENSEI descarta las regiones azules, donde la tasa de interacciones de la materia oscura sería mayor que la tasa de eventos que observa SENSEI. Las regiones grises son descartadas por otros experimentos. Las bandas naranjas se ven favorecidas por los modelos teóricos y son objetivos del experimento SENSEI a gran escala. Crédito:Colaboración SENSEI
La nueva búsqueda de materia oscura de SENSEI ha arrojado el primer resultado de sus nuevos CCD de grado científico, que fueron fabricados en un ciclo de producción dedicado para SENSEI con silicona de alta calidad. La colaboración también redujo la cantidad de radiación que llega al CCD al agregar un blindaje adicional alrededor del experimento. El resultado fue una disminución en las tasas de eventos de fondo en comparación con la búsqueda anterior con un CCD prototipo. La tasa de eventos de un solo electrón disminuyó de 33, 000 a 450 eventos / gramo-día, y vemos menos eventos de dos electrones (cinco, por debajo de 21) en una exposición mucho mayor (2,09 gramos-día, desde 0.043). Tampoco vemos eventos de tres o cuatro electrones, al igual que en la búsqueda anterior, pero con una mayor exposición.
Los CCD de grado científico funcionan tan bien como se podría haber esperado, y SENSEI espera que las tasas de fondo sean aún más bajas en SNOLAB.
