Поиски частиц темной материи
Курсовой проект - Физика
Другие курсовые по предмету Физика
»индрический кристалл CaWO4 диаметром 40 мм. Детектор света помещается сверху на плоскую поверхность кристалла, и вся конструкция окружается светоотражающей многослойной полимерной фольгой. Установка работает при температуре около 10 мК. Вольфрамовый термометр находится в промежуточном состоянии между сверхпроводящим и нормальным состояниями. В этом режиме малое возрастание температуры термометра приводит к относительно большому увеличению его сопротивления, которое измеряется посредством двух параллельных обмоток. Один конец обмотки закреплен на сверхпроводящей пленке, а другой через сопротивление соединен с интерферометром SQUID, что обеспечивает высокую чувствительность измерений изменения тока. Возрастание сопротивления термометра и увеличение тока приводит к возрастанию выходного напряжения на SQUID.
В первых измерениях, проведенных в 2004 г. на двух модулях детекторов, счет регистируемых сигналов составил 0,87 0,22 кг-1 сут-1. Это полностью соответствует расчетному сигналу от фона электронов и ?-квантов. Следующий шаг в развитии детектора CRESST связан с установкой дополнительных 33 модулей с усовершенствованной 66-канальной SQUID-системой считывания, применением защиты от нейтронов и вето-системы для мюонов.
Рис.11. Схема и фотография детектора CRESST-II. W-термометр
4.6 Комбинированные детекторы, регистрирующие ионизационный и тепловой сигналы
CDMS (Cryogenic Dark Matter Search) явился первым экспериментом, в котором для регистрации вимпов проводились независимые измерения ионизационного и теплового сигналов с помощью криогенного германиевого детектора. До 2002 г. эксперимент проводился в Стэнфордской лаборатории, где детектор имел довольно слабую защиту от мюонов и нейтронов и выделение фона было основано только на нормировке на результаты Монте-Карло-моделирования. Несмотря на это, в течение нескольких лет ограничение CDMS на существование ТМ оставалось самым сильным.
В 2003 г. модернизированный детектор CDMS-II был помещен в подземную шахту Соудан в Миннесоте (США), расположенную на глубине 2090 м. Использовались четыре германиевых кристалла весом 250 г и два кремниевых детектора весом 100 г, которые охлаждались до температуры меньшей 50 мК (рис.12) [1]. Для подавления ?-фона и нейтронного фона детекторы окружались защитой, состоящей из слоев меди (0,5 см), свинца (22,5 см) и полиэтилена (50 см). Заряженные частицы (в основном мюоны), проходящие через детектор, выделяются вето-системой, основанной на сцинтилляционных счетчиках [1].
В CDMS-II события с ядрами отдачи отделяются от событий электронного рассеяния по двум независимым каналам. Во-первых, регистрируется ионизация в кристалле высокочистого германия, находящемся между электродами, к которым приложено напряжение в несколько вольт. При данной энергии электроны отдачи имеют большую ионизирующую способность, чем ядра. Во-вторых, с помощью тепловых сенсоров регистрируется тепловыделение при низкой температуре. Фононный сигнал от ядра отдачи является более длительным и приходит позднее, чем сигнал от электрона отдачи. Основным источником фона, который может создать нужное отношение тепло/ионизация, рассчитываемое в предположении рассеяния вимпа на ядре германия, являются ядра отдачи, индуцированные нейтронами.
Рис.12. (а) Схема детектора CDMS-II. (б) Структурный модуль детектора SuperCDMS с мишенью, содержащей кристаллы Ge с полной массой 640 г.
Порог регистрации ядра отдачи в детекторе составлял 2 кэВ. Анализ событий с энергиями в интервале 10 - 100 кэВ, регистрируемых в течение экспозиции CDMS-II равной 19,4 кг сут, позволил на 90% -ном уровне достоверности исключить существование вимпов с массами менее 60 ГэВ при вимп-ядерных сечениях больших 4 х 10-43 см2. На сегодня это ограничение является одним из лучших.
В качестве развития эксперимента было предложено создать новый детектор SuperCDMS и разместить его в лаборатории SNO в Канаде, которая находится в одной из самых глубоких (~ 6000 м.) подземных шахт в мире. Предполагается использовать детекторы, конструкция которых аналогична CDMS-II, и последовательно наращивать их число. На первом этапе будут использованы детекторы с общей массой германия около 27 кг, на втором - 145 кг, и на последнем - 1100 кг. Установка SuperCDMS позволит исследовать вимп-ядерные сечения со значениями вплоть до 10-44 - 10-46 см2 [1].
4.7 Комбинированные детекторы, регистрирующие световой и ионизационный сигналы
ZEPLIN-II - второй этап эксперимента ZEPLIN, на котором впервые использовался детектор на основе ксенона в жидком и газообразном состояниях. Проходящая через объем жидкой мишени частица ионизирует среду, в результате чего свободные электроны в приложенном электрическом поле движутся по направлению к газовой фазе и, попадая в нее, ионизируют атомы газа. В результате электролюминесценции снимается возбуждение атомов и излучается свет. Принцип использования таких детекторов основан на том, что различные частицы, проходя через чувствительный объем детектора, дают разные вклады в сигналы, которые регистрируются в виде сцинтилляционного света и ионизационных потерь (рис.13) [1]. Различие между двумя этими сигналами позволяет разделять взаимодействия с электронами и ядрами отдачи. Вимпы должны упруго рассеиваться на ядрах Xe, таким образом, сигнатура взаимодействий ядер отдачи будет значительно отличаться от сигнатуры взаимодействий ? - квантов и электронов отдачи.
ZEPLIN-II содержит 31 кг жидкого ксенона, заключенного в медный резервуар диаметр