Cryogenic Dark Matter Search ( CDMS ) — это серия экспериментов, предназначенных для прямого обнаружения частиц темной материи в форме слабовзаимодействующих массивных частиц (или WIMP) . Используя массив полупроводниковых детекторов при температурах милликельвина , CDMS время от времени устанавливал самые чувствительные пределы взаимодействия темной материи WIMP с земными материалами (по состоянию на 2018 год пределы CDMS не являются самыми чувствительными). Первый эксперимент, CDMS I , был проведен в туннеле под кампусом Стэнфордского университета . За ним последовал эксперимент CDMS II в шахте Судан . Последний эксперимент, SuperCDMS (или SuperCDMS Soudan ), проводился глубоко под землей на руднике Судан на севере Миннесоты и собирал данные с 2011 по 2015 год. Серию экспериментов продолжает SuperCDMS SNOLAB , эксперимент, расположенный на объекте SNOLAB недалеко от Садбери , Онтарио , в Канаде, строительство которого началось в 2018 году, и, как ожидается, сбор данных начнется в начале 2020-х годов.
Наблюдения за крупномасштабной структурой Вселенной показывают, что материя агрегируется в очень большие структуры, которые не успели сформироваться под действием собственной гравитации. Обычно считается, что некая форма недостающей массы ответственна за увеличение гравитационной силы в этих масштабах, хотя эта масса не наблюдалась напрямую. Это проблема; обычная материя в космосе будет нагреваться до тех пор, пока не начнет выделять свет, поэтому, если эта недостающая масса существует, обычно предполагается, что она находится в форме, которая обычно не наблюдается на Земле.
Со временем было выдвинуто несколько кандидатов на роль недостающей массы. Ранние кандидаты включали тяжелые барионы , которые должны были быть созданы в Большом взрыве , но более поздние работы по нуклеосинтезу, похоже, исключили большинство из них. [1] Другим кандидатом являются новые типы частиц, известные как слабо взаимодействующие массивные частицы , или «WIMP». Как следует из названия, WIMP слабо взаимодействуют с обычной материей, что объясняет, почему их нелегко увидеть. [1]
Таким образом, обнаружение WIMP представляет собой проблему; если WIMP взаимодействуют очень слабо, обнаружить их будет крайне сложно. Детекторы, такие как CDMS и подобные эксперименты, измеряют огромное количество взаимодействий в пределах своего объема детектора, чтобы обнаружить чрезвычайно редкие события WIMP.
Детекторы CDMS измеряют ионизацию и фононы, производимые каждым взаимодействием частиц в их германиевых и кремниевых кристаллических подложках. [1] Эти два измерения определяют энергию, вложенную в кристалл при каждом взаимодействии, но также дают информацию о том, какой тип частицы вызвал событие. Отношение сигнала ионизации к фононному сигналу отличается для взаимодействий частиц с атомными электронами («электронные отдачи») и атомными ядрами («ядерные отдачи»). Подавляющее большинство фоновых взаимодействий частиц являются электронными отдачами, в то время как WIMP (и нейтроны ), как ожидается, будут производить ядерные отдачи. Это позволяет идентифицировать события рассеяния WIMP, даже если они редки по сравнению с подавляющим большинством нежелательных фоновых взаимодействий.
Из суперсимметрии вероятность спин-независимого взаимодействия между WIMP и ядром будет связана с числом нуклонов в ядре. Таким образом, WIMP будет с большей вероятностью взаимодействовать с германиевым детектором, чем с кремниевым, поскольку германий — гораздо более тяжелый элемент. Нейтроны смогут взаимодействовать как с кремниевыми, так и с германиевыми детекторами с одинаковой вероятностью. Сравнивая скорости взаимодействия между кремниевыми и германиевыми детекторами, CDMS может определить вероятность взаимодействия, вызванного нейтронами.
Детекторы CDMS представляют собой диски из германия или кремния, охлажденные до температур милликельвина с помощью холодильника растворения . Чрезвычайно низкие температуры необходимы для ограничения теплового шума, который в противном случае скрыл бы фононные сигналы взаимодействия частиц. Детектирование фононов осуществляется с помощью датчиков края сверхпроводящего перехода (TES) , считываемых усилителями SQUID , в то время как сигналы ионизации считываются с помощью усилителя FET . Детекторы CDMS также предоставляют данные о форме фононного импульса, что имеет решающее значение для отклонения фоновых событий вблизи поверхности.
Болометрическое обнаружение нейтрино с помощью полупроводников при низкой температуре было впервые предложено Бласом Кабрерой , Лоуренсом М. Крауссом и Фрэнком Вильчеком [2] , а аналогичный метод был предложен для обнаружения WIMP Марком Гудманом и Эдвардом Виттеном [3] .
CDMS I собирал данные поиска WIMP на мелководном подземном участке (называемом SUF, Stanford Underground Facility) в Стэнфордском университете в 1998–2002 годах. CDMS II работал (в сотрудничестве с Университетом Миннесоты ) на руднике Судан с 2003 по 2009 год (прием данных в 2006–2008 годах). [4] Новейший эксперимент, SuperCDMS (или SuperCDMS Soudan), с чередующимися электродами, большей массой и еще лучшим подавлением фона собирал данные в Судане в 2011–2015 годах. Серия экспериментов продолжается с SuperCDMS SNOLAB, который в настоящее время (2018 год) находится в стадии строительства в SNOLAB и должен быть завершен в начале 2020-х годов.
Серия экспериментов также включает эксперимент CDMSlite , который использовал детекторы SuperCDMS в Судане в рабочем режиме (называемый CDMSlite-mode), который должен был быть чувствительным именно к WIMP с малой массой. Поскольку в эксперименте CDMS используется несколько различных технологий детекторов, в частности, 2 типа детекторов на основе германия или кремния соответственно, эксперименты, полученные из некоторой конкретной конфигурации детекторов эксперимента CDMS и различных наборов данных, собранных таким образом, иногда получают названия, такие как CDMS Ge, CDMS Si, CDMS II Si и т. д.
17 декабря 2009 года коллаборация объявила о возможном обнаружении двух кандидатов в WIMP, одного 8 августа 2007 года, а другого 27 октября 2007 года. Из-за небольшого количества событий команда смогла исключить ложные срабатывания от фонового шума, такого как столкновения нейтронов . Предполагается, что такой шум будет производить два или более событий в 25% случаев. [5] Полиэтиленовые поглотители были установлены для снижения любого нейтронного фона. [6]
Анализ 2011 года с более низкими энергетическими порогами искал доказательства существования WIMP с малой массой (M < 9 ГэВ). Их пределы исключают намеки, заявленные новым германиевым экспериментом под названием CoGeNT и давним результатом годовой модуляции DAMA/NaI , DAMA/LIBRA . [7]
Дальнейший анализ данных в Physical Review Letters за май 2013 года выявил 3 обнаружения WIMP с ожидаемым фоном 0,7, с массами, ожидаемыми от WIMP, включая нейтралино. Существует вероятность 0,19%, что это аномальный фоновый шум, что дает результату уровень достоверности 99,8% (3 сигмы). Хотя это и не является окончательным доказательством существования WIMP, это придает теориям большой вес. [8] Этот сигнал наблюдался в эксперименте CDMS II и называется сигналом CDMS Si (иногда эксперимент также называют CDMS Si), потому что он наблюдался кремниевыми детекторами.
Результаты поиска SuperCDMS с октября 2012 года по июнь 2013 года были опубликованы в июне 2014 года, в результате чего было обнаружено 11 событий в области сигнала для массы WIMP менее 30 ГэВ, а также установлен верхний предел для спин-независимого сечения, неблагоприятный для недавнего сигнала CoGeNT с низкой массой. [9]
Второе поколение SuperCDMS планируется для SNOLAB. [10] [11] Это расширение SuperCDMS Soudan во всех отношениях:
Увеличение массы детектора не столь велико, поскольку около 25% детекторов будут сделаны из кремния, [12] : 7 , который весит всего 44% от веса. [14] : 1 Заполнение всех 31 башни в этом соотношении даст около 222 кг.
Хотя проект неоднократно откладывался (в более ранних планах предполагалось, что строительство начнется в 2014 [15] и 2016 [13] : 18–25 ), он остается активным [14] с выделенным пространством в SNOLAB и запланированным началом строительства в начале 2018 года. [10] : 9
Строительство SuperCDMS в SNOLAB началось в 2018 году с началом эксплуатации в начале 2020-х годов. Бюджет проекта на тот момент составлял 34 миллиона долларов США. [16]
В мае 2021 года детектор SuperCDMS SNOLAB находился в стадии строительства, и ранняя наука (или прототипирование, или предварительные исследования) продолжались с прототипом/тестированием оборудования, как на месте SNOLAB, так и в других местах. Ожидалось, что полный детектор будет готов к сбору научных данных в конце 2023 года, а научные операции продлятся 4 года (с двумя отдельными запусками) 2023-2027, с возможными расширениями и разработками после 2027 года. [17]
В мае 2022 года установка детектора SuperCDMS SNOLAB продолжалась, а ввод в эксплуатацию планировалось начать в 2023 году. Первый научный запуск с полной нагрузкой детектора состоялся в начале 2024 года, а первый результат — в начале 2025 года. [18]
В июне 2023 года установка SuperCDMS SNOLAB шла полным ходом. Ввод в эксплуатацию планировалось начать в 2024 году. [19]
Третье поколение SuperCDMS предполагается, [10] хотя все еще находится на ранней стадии планирования. GEODM ( Германия, обсерватория темной материи ), с массой детектора около 1500 кг, выразила интерес к местоположению SNOLAB "Криопит". [20]
Увеличение массы детектора делает детектор более чувствительным, если нежелательные фоновые обнаружения не увеличиваются, поэтому каждое поколение должно быть чище и лучше экранировано, чем предыдущее. Целью строительства в десять этапов, таких как этот, является разработка необходимых методов экранирования перед завершением конструкции GEODM.