Поиск частиц холодной темной материи с помощью германиевых детекторов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК _ ь • /- - -ИНСТИТУТ ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

На правах рукописи

ОСЕТРОВ Сергей Борисович

Поиск частиц холодной темной материи с помощью германиевых детекторов

(01.04.16 — физика ядра и элементарных частиц)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва-1998

Работа выполнена в Институте ядерных исследований РАН

Научный руководитель

кандидат физико-математических наук А.А. Смольников Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук В.А. Кузьмин

кандидат физико-математических наук Ю.В. Козлов

Ведущая организация:

Институт теоретической и экспериментальной физики

дашита_диссертации состоится ЛИ» Я/ужиЛ^ 1998 г. в/о часов на заседании Диссертационного совета Д 003.21.01 Института ядерных исследований РАН (117312 Москва, проспект 60-летия Октября, дом 7а).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института ядерных исследований РАН.

/¿И, Ли^ргю^

Автореферат разослан " " " "! ^ 1998 г.

Ученый секретарь Совета кандидат физико-математических наук

Б.А. Тулупов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Имеются веские аргументы в пользу того, что значительная часть вещества во Вселенной ничего не излучает и не поглощает и поэтому невидима. О наличии такой невидимой материи можно узнать по ее гравитационному взаимодействию с излучающей материей. Плотность излучающего вещества составляет не более 0.01 критической плотности в предположении плоской Вселенной. Если даже принять во внимание все формы барногаюй материи, такие, как межпланетная пыль, коричневые и белые карлики, нейтронные звезды и черные дыры, то оказывается, что для объяснения всех наблюдаемых явлений необходима значительная доля небарионной материи.

Современный анализ реликтового фонового ЗК излучения, измеренного со спутника СОВЕ, крупно- и мелкомасштабной структуры Вселенной (измерения красного смещения с помощью спутника IRAS) указывают на то, что Темная Материя предпочтительно может состоять из 10% барионной (БТМ), 60% небарионной холодной - нерелятивистской (ХТМ) и 30% небарионной горячей - релятивистской (ГТМ) Темной Материи1. Более определенный вывод о составе Темной Материи, по крайней мере ее небарионной части, можно будет сделать только по результатам детектирования частиц - кандидатов на роль ХТМ и ГТМ.

Теоретические модели предлагают широкий спектр новых частиц как кандидатов на роль небарионной Темной Материи. Особый интерес в контексте данной работы представляет класс частиц, взаимодействующих только слабым образом, объединенных общим названием WIMP (Weakly Interacting Massive Particles), массы которых лежат в диапазоне ~1 -10000

сочетающие в себе возможности работы с низким энергетическим порогом и очень низким собственным фоном в припороговой области при большой эффективной массе детектора-мишени и высокой долговременной стабильности измерений. Совокупность результатов различных современных экспериментов но поиску WIMP дает только ограничения на сечения их взаимодействия с ядрами детекторов, на области масс и параметры теоретических моделей. Ожидается, что следующее поколение детекторов, как и увеличение экспозиции уже действующих установок, позволит сделать более определенный вывод о составе темного гало нашей галактики.

Одной из экспериментальных установок, на которой с 1995 г. проводится поиск W1MP, является экспериментальная установка "BAKSAN-IGEX", работающая в БНО ИЯИ РАН, в которой используются два низкофоновых германиевых детектора весом около 1 кг каждый, изготовленных из материала с различным изотопным составом.

Цели представляемой диссертации:

1. В ходе долговременных непрерывных измерений собственного фона германиевых детекторов с различным изотопным составом накопить и обработать информацию с целью поиска W1MP по их взаимодействию (различного типа) с ядрами Ge. Для достижения этих целей используются эффективные пассивная и активная защиты, дискриминация по форме имаульса, низкий энергетический порог, сверх низкий фон детекторов и специальные методы отбора событий.

2. Из анализа формы фоновых энергетических спектров детекторов получить новые ограничения на сечения упругих спин-независимых и спин-зависимых взаимодействий WIMP.

3. По результатам анализа временных распределений скорости счета детекторов поставить экспериментальные пределы на амплитуду годовых модуляций, исходя из которых получить более строгие ограничения на сечения взаимодействия WIMP.

4. Используя предложенную и разработанную в данной работе методику отбора событий - кандидатов на неупругое взаимодействие WIMP с

возбуждением долгоживущих уровней 73Ge, получить ограничения па сечение таких взаимодействий.

Новизна работы. Впервые на базе одной экспериментальной установки в течении длительного (более 2-х лет) цикла измерений по нескольким параметрам проведен поиск различных типов (спин-независимых, упругих и неупругих спин-зависимых) взаимодействий WIMP - наиболее предпочтительных кандидатов на роль ХТМ, с детекторами-мишенями с различным изотопным составом Ge. Применение специальных методов обработки информации, основанных на анализе исходных данных одновременно по нескольким параметрам, характеризующим как форму энергетических спектров и форму импульса каждого события, так и временные распределения скорости счета детекторов, позволило существенно увеличить чувствительность эксперимента и получить новые ограничения на параметры взаимодействия WIMP. Получены новые ограничения на сечение когерентного взаимодействия WIMP с ядрами Ge для масс WIMP >7.5 ГэВ. Впервые получены ограничения на сечения спин-зависимых взаимодействий WIMP с ядрами 73Ge для упругого (из анализа разностного спектра детекторов) и неупругого, с возбуждением 13.3 и 66.7 кэВ уровней, взаимодействий для масс WIMP >15 ГэВ. Получены более строгие ограничения на сечение когерентного взаимодействия WIMP с ядрами Ge для масс WIMP 7.5-18 ГэВ из анализа временных распределений скорости счета детекторов в низкоэнергетической части спектра.

Практическая н научная значимость работы. Разработана методика дискриминации событий по форме импульса, позволившая существенно снизить собственный фон детекторов в припороговой области. Предложена и разработана уникальная методика отбора событий - кандидатов на неупругое взаимодействие WIMP с возбуждением долгоживущих уровней T3Ge, что позволило значительно увеличить фактор отбора сигнал/фон для таких взаимодействий. Применение этой методики в экспериментах с большими массами детекторов-мишеней из обогащенного 73Ge позволит существенно повысить чувствительность будущих экспериментов.

Получены новые ограничения на сечения различных видов взаимодействия WIMP в широком диапазоне масс.

Апробация работы. Основные результаты, вошедшие в диссертацию, докладывались на международных конференциях "Particles and Cosmology" (Russia, 1995), "The Dark Side of the Universe" (Italy, 1995), "Aspects of Dark Matter in Astro- and Particle Physics" (Germany, 1996), "Dark Matter in the Universe and its Direct Detection" (Poster) (Japan, 1996), "Particles and Cosmology" (Russia, 1997), "NANP-97, International Workshop on non-Accelerator New Physics" (Russia, 1997), а также на семинарах ОБНО Института ядерных исследований РАН.

Публикация и объем работы. Основные результаты диссертации опубликованы в 7-ми работах. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, содержит 124 страницы, включая 49 рисунков, 12 таблиц и список литературы из 123 наименований.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Создана экспериментальная установка для поиска WIMP темного галактического гало различными методами, основанными на анализе энергетических и временных спектров фона низкофоновых германиевых детекторов, изготовленных то материалов с различным изотопным составом. Кроме детекторов, установка включает в себя пассивную и активную защиты и систему регистрации, позволяющую получить и накопить полную информацию о каждом событии с детекторов, включая оцифрованную форму импульса. Достигнут рекордно низкий для детекторов такой массы энергетический порог 2 кэВ. Проведены долговременные непрерывные измерения с мая 1995 по февраль 1998. Обработаны результаты за 675.6 дней живого времени (живое время составляет -80% общего времени работы установки).

2. Предложена и разработана уникальная методика отбора событий -кандидатов на неупругое спин-зависимое взаимодействие WlMP с ядрами 73Ge с возбуждением низкоэнергетических долгоживущих уровней.

3. Разработаны и реализованы специальные программы сбора и обработки информации, программы отбора событий по форме импульса и программы отбора событий, имеющих специальную форму в результате неупрутого взаимодействия WIMP с возбуждением; долгоживущих уровней 13.3 и 66.7 кэВ 73Ge. Разработаны программы для расчета функции отклика детекторов на взаимодействие с WIMP и расчета ограничений на сечения взаимодействия WIMP с ядрами детектора из анализа формы экспериментальных энергетических спектров и анализа временных распределений скорости счета детекторов.

4. Получены новые ограничения на сечение когерентного взаимодействия WIMP в широком диапазоне масс с ядрами Ge (см. Рис. 3). В частности, тяжелые дираковские нейтрино исключены, как кандидаты на роль частиц холодной Темной Материи в диапазоне масс 13 Гэв - 4.5 ТэВ.

5. Впервые получены ограничения на сечения спин-зависимых взаимодействий WIMP с ядрами 73Ge для упругого (см. Рис. 4) и неупругого, с возбуждением 13.3 и 66.7 кэВ уровней (см. Рис. 7), взаимодействий для масс WIMP > 15 ГэВ.

6. Получены новые ограничения на сечение когерентного взаимодействия WIMP с ядрами Ge из анализа данных по поиску годовых модуляций скорости счета детекторов в низкоэнергетической части спектра для масс WIMP >7.5 ГэВ (см. Рис. 5).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обсуждается актуальность проблемы поиска частиц холодной Темной материи. Формулируются основные задачи, решаемые в диссертации, и результаты, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрено современное состояние проблемы Темной Материи во Вселенной. Проанализированы частицы - кандидаты на роль Темной Материи и определен круг частиц, которые могут быть исследованы с помощью ионизационных германиевых детекторов. Проанализирован ожидаемый отклик детекторов на взаимодействия этих частиц с ядрами.

Во второй главе дан обзор некоторых экспериментальных работ, которые характеризуют современный уровень и перспективы развития. Особое внимание уделено экспериментам по регистрации WIMP. Проведен критический анализ результатов экспериментов.

В третьей главе описываются конструкция и принцип работы детектирующей установки BAKSAN-IGEX, работающей в настоящее время в подземной низкофоновой лаборатории Баксанской нейтринной обсерватории ШШ РАН. Проведен анализ составляющих фона и методов его подавления.

В проведенных экспериментах использовались два полупроводниковых германиевых детектора, изготовленные Северозападной Тихоокеанской лабораторией и фирмой Tennelec (США) при участии других научных и технических центров, участвующих в коллаборации IGEX2. Оба детектора изготовлены по технологии High Purity, т.е. требуемая концентрация носителей электрического заряда и минимизация концентрации "ловушек" в полупроводнике достигается за счет тщательной очистки путем многократных процессов выращивания германиевого кристалла и зонной плавки. Кристалл одного из детекторов (Д1) с активной массой 0.746 кг. изготовлен из произведенного в России, обогащенного до 87% 76Ge материала. Обогащенный материал прошел процесс дополнительной химической очистки в Eagle Picher INC (США). В процессе выращивания кристалла и зонной плавки обогащенный материал прошел третий, окончательный этап очистки. Кристалл второго детектора (Д2) с активной массой 0.952 кг. изготовлен из германия с природным изотопным составом. Для изготовления этого детектора использовалась германиевая руда, добытая на большой глубине, что является важным фактором для уменьшения содержания космогенных радионуклидов.

2 Международная коллаборация по поиску двойного бета распада с помощью Ge детекторов, в состав которой входят Баксанская нейтринная обсерватория ИЯИ РАН, Институт теоретической и экспериментальной физики, University of South Carolina (USA), Pacific Northwest National Laboratory (USA), University of Zaragoza (Spain), Ереванский физический институт. Эксперимент проводится в подземных лабораториях Баксан, Homestake (USA), Canfranc (Spain).

Оба детектора помещены в общую пассивную защиту (см. Рис. 1), которая состоит из 12 см ОЕНС (бескислородной, высокопроводной) меди и 6 см листового свинца, находившихся в подземной лаборатории более 20 лет. Следующий слой защиты состоит из 15 см свинцовых кирпичей. Внешние 8 см борированного полиэтилена предназначены для подавления нейтронной составляющей фона. Расположенные снизу защиты слои фанеры и полиэтилена предназначены также для подавления вибраций, вызывающих микрофонный эффект в детекторах.

пластический сцинталлятор

пассивная защита

Рис. 1. Общий вид экспериментальной установки ВАКБАК-ЮЕХ. •

Акгавная защита состоит из 5 контейнеров из оргстекла, заполненных жидким сцинтиллятором, и одного блока пластического сцинтиллятора. Каждый из блоков просматривается 3...6 фотоумножителями. Активная защита из водородосодержащего жидкого сцинтиллятора также служит дополнительной пассивной защитой от нейтронной составляющей фона. Усредненных! энергетический порог активной защиты »0.5 МэВ, полная скорость счета активной защиты начиная с порога »180 событий/сек.

Для уменьшения содержания радона полость, в которой расположены детекторы, продувается азотом, поступающим из сосуда дыоара для охлаждения детекторов.

Экспериментальная установка размещена в низкофоновой камере подземной низкофоновой лаборатории БНО, расположенной на глубине 660 м в.э. Поток мюонов на такой глубине ослаблен более, чем в 2000 раз по сравнению с земной поверхностью и составляет около 1 сутки-см2). Низкофоновая камера отделена от горных пород3 слоем низкофонового бетона толщиной 50 см, слоем дунита4 толщиной 50 см и 8 мм стали. Фактор ослабления ^-излучения горной породы >200.

Специально разработанное электронное оборудование и программное обеспечение позволяет записать следующую информацию о каждом событии с германиевых детекторов:

-Время поступления события - т.е. время, прошедшее с момента старта накопления информации до события, представленного в машинных "тиках" (0.055 сек).

-Амплитуды события - амплитуды сигналов с аналого-цифровых

преобразователей (АЦП1, АЦП2, АЦПЗ). -RXMask - метка (маска) определяет номер сработавшего АЦП (1-АЦП1, 2-АЦП2,4-АЦПЗ).

-Время VETO - интервал времени, прошедший от последнего срабатывания активной защиты до события с детекторов Д1 или/и Д2 плюс постоянная задержка 7 микросекунд. -Оцифрованная форма импульса - информация о форме импульса с

предусилителей детекторов по двум каналам цифрового осциллографа. -Статус - содержит информацию о состоянии аппаратуры, времени ожидания данных АЦП, состоянии буферов АЦП и пр.

Основными составляющими фона полупроводниковых германиевых детекторов являются:

3 В месте заложения низкофоновой лаборатории горные породы содержат 3.02-10'2 г/г К, 3.29-10"* г/г 238и, 1.91-10"5 г/г232Т11.

4 Ультраосновная порода с низким содержанием радиоактивных элементов.

1. Собственный радиационный фон детектора, обусловленный содержанием радиоактивных элементов и космогенных изотопов в материале детектора.

2. Фон, обусловленный содержанием радиоактивных примесей в материалах ближайшего окружения детектора (пассивная защита).

3.Фон мюонов космических лучей и их электромагнитного сопровождения.

4.Нейтрошшй и нейтрошгоиндуцированный фон.

5.Микрофонные эффекты, шумы электроники и наводки.

Доминирующей составляющей фона в низкоэнергетической части

спектра являются микрофонный эффект, шумы электроники и наводки. Более того, эти составляющие ухудшают энергетическое разрешение и ограничивают порог детекторов5.

Для снижения этих составляющих фона приняты следующие меры.

1. Территориально разделены аналоговая и цифровая части системы регистрации. Детекторы и усилители расположены внутри низкофоновой камеры, обшитой изнутри сталью. Таким образом, низкофоновая камера представляет собой клетку Фарадея и позволяет снизить уровень наводок. "Шумящая" часть системы регистрации (АЦП, источники высоковольтного питания, компьютеры и пр.) расположены в отдельном помещении.

2. Электропитание аппаратуры осуществляется от мотор-генератора через специально подобранные фильтры.

3. Экспериментально подобраны точки заземления аппаратуры для избежания образования "петель".

4. Пассивная защита и сосуд дьюара установлены на виброизолирующие прокладки.

Применение перечисленных мер существенно снизило уровень фона в низкоэнергстической области спектра. Для дальнейшего его подавления применяется дискриминация по форме импульса (ДФИ), в основу которой положено использование различия формы ионизационного сигнала

'Например, 7-квант с энергией 10 кэВ производит в ве 3378+18 электронно-дырочных пар. Тогда разрешение, обусловленное статистической неопределенностью количества образующихся пар составляет 0.5% или 0.05 кэВ. Реально наблюдается гораздо худшее разрешение.

10

5

0

0 20 40 60 80

Энергия, кэВ

Рис. 2. Факторы снижения фона в низкоэнергетической части спектра необога'щенного детектора за счет использования дискриминации по форме импульса (ДФИ) и

активной защиты.

германиевого детектора, получающегося при прохождении ионизирующей частицы через кристалл детектора, и формы шумового сигнала6.

На Рис.2 представлены факторы снижения фона необогащенного детектора Д2 за счет использования ДФИ и активной защиты. Вблизи энергетического порога фактор снижения фона за счет ДФИ «8 и снижается с ростом энергии (уровень шумов детектора снижается с ростом

6 Ионизационный сигнал детектора имеет четко выраженную форму с передним фронтом, длительность которого определяется временем дрейфа электронов и дырок от места взаимодействия в кристалле до собирающих электродов. Для 1-килограммового кристалла при напряжении 25 00 В время дрейфа ~200 псек. Спад импульса близок к линейному и его крутизна определяется временными характеристиками предусилителя. Шумовой сигнал обычно генерируется пачкой импульсов и имеет протяженную во времени структуру.

Фактор снижения фона за счет ДФИ и активной защиты

Фактор снижения фона за счет ДФИ

Фактор снижения фона за счет активной защиты

т—п—I—1—п—I—I—| | | |—I—1—|—|—1 ■■ |— > ||1 -|—11 | -т~ч—!—|—:—I—|—1—I—1—I—г~

энергии), фактор снижения фона за счет активной защиты практически постоянен в низкоэнергетической части спектра и составляет «2.

В четвертой главе подробно рассматривается метод расчета функции отклика детекторов на взаимодействия с WIMP галактического гало, а также алгоритмы расчета верхних ограничений на сечепия взаимодействия WIMP из анализа формы экспериментальных спектров и временных распределений скорости счета детекторов. Для расчета спектров ядер отдачи были использованы следующие исходные предположения о природе WIMP: темное гало галактики с плотностью 0.3 ГэВ/см3 в районе Земли полностью состоит из WIMP с рассматриваемой массой, подчиняющихся Максвелл-Больцмановскому распределению скоростей со средней скоростью umis=270 км/с и максимальной скоростью. UesC=580 км/с. Скорость движения Земли относительно гало UEarth=245 км/с. Такие же значения использовались при обработке результатов в эксперименте коллаборации Москва - Гейдельберг (М-Г)7.

В пятой главе приводится описание и интерпретация полученных результатов экспериментов, методика обработки и расчет ограничений на сечения взаимодействия WIMP, следующих из результатов экспериментов. Для поиска WIMP был проведен анализ формы фонового энергетического спектра детекторов, годовых и суточных временных распределений скорости счета детекторов, и исследовались области энергетического спектра, в которых ожидается сигнал от неупругих взаимодействий WIMP с возбуждением долгоживущих уровней 73Ge.

Для анализа формы фонового спектра использовались данные, отобранные по антисовпадению с активной защитой и отобранные по форме импульса (ДФИ). Энергетический порог 2 кэВ и фоновая скорость счета 0.26±0.01стат±0.02шст событий/(кэВ кг-день) в области энергий 12-22 кэВ достигнуты для необогащенного детектора. На спектре фона этого детектора хорошо различимы пики 5.89, 8.98 и 10.37 кэВ, связанные с

7 Beck М. et al., Pliys. Lett., В 336 (1994) 141.

распадом космогенно наработанных изотопов мМп, foZn и 68Ge, соответственно. Фитирование нормальным распределением дало энергии этих пиков 5.82±0.12 (2.89+0.35), 9.08±0.07 (0.80±0.10) и 10.39+0.04 (0.74±0.05), соответственно (в скобках указана ширина пиков на половине высоты).

Полученные энергии и ширины этих пиков демонстрируют высокую стабильность системы регистрации. Для обогащенного детектора получена возможность работы с энергетическим порогом 6 кэВ при скорости счета 0.26±0.01стат.±0.02скст. событий/(кэВ-кг-день) в диапазоне энергий 12-22 кэВ.

Идентифицированные в спектре необогащенного детектора космогенные пики могут быть вычтены. Кроме того, в диапазоне энергий выше 30 кэВ фоновый спектр детекторов аппроксимируется линейной зависимостью с положительным наклоном. В этой части спектра фон обусловлен, в основном, естественной радиоактивностью и, экстраполируя эту линию в область низких энергий, можно вычесть "радиоактивную подложку" из фонового спектра детектора. WIMP с массами <25 ГэВ вообще не в состоянии произвести ядра отдачи, которые могли бы выделить энергию ионизации > 30 кэВ. Однако WIMP с большими массами способны произвести ионизацию и при энергиях > 30 кэВ (но даже для WIMP с массой 10 ТэВ в области энергий > 30 кэВ ожидается только 8.3% событий и это учтено). Для расчета ограничений используются энергетические диапазоны ниже 22 кэВ, где реализуется лучшее соотношение ожидаемый сигнал/фон.

Эти спектры были использованы для расчета ограничений на массы и сечения взаимодействия WIMP. Исключенные области масс и сечений взаимодействий WIMP представлены на Рис. 3. На рисунке представлены кривые, полученные из анализа фоновых спектров (без вычитания и с вычитанием космогенных пиков и радиоактивной подложки) необогащенного и суммарного спектра детекторов. В последнем случае энергетический порог был принят 6 кэВ для обоих детекторов. Из сопоставления с графиком зависимости сечения взаимодействия Дираковских нейтрино от их массы, рассчитанного с усреднением по изотопному составу детекторов, Дираковские нейтрино исключаются в диапазоне масс 13 ГэВ - 4.5 ТэВ. На этом же рисунке представлены

1.Е-31

1.Е-32

1.Е-33

1.Е-34

1.Е-35

1.Е-36

—Необогащенный детектор, 1.41 кг'года, 2 кэВ порог. —■— Необогащенный детектор (вычтены пики и пьедестал) —А— Оба детектора, 2.42 кг'года, б кэВ порог. — • - Оба детектора (вычтены пики и пьедестал) Ж—Москва-Гейдельберг, 0.45 кг*года, 10 кэВ порог.

......Дираковские нейтрино (необогащенный детектор)

---Дираковские нейтрино (оба детектора)

10 100 1000 Массы WIMP, ГэВ

10000

Рис. 3. Ограничения на массы и сечения взаимодействия WIMP, полученные из анализа формы фоновых спектров Ge детекторов. Для сравнения представлены также ограничения, полученные в эксперименте Москва-Гейдельберг.

результаты, полученные в эксперименте коллаборации Москва -Гейдельберг (М-Г). В нашем эксперименте при вычитании пиков и подложки получены более строгие ограничения на сечения взаимодействия WIMP во всем диапазоне исследуемых масс.

Необогащенный детектор содержит 74 грамма 73Ge, который может участвовать в спин-зависимых взаимодействиях. В обогащенном детекторе нет 73Ge, следовательно, его спектр можно использовать как фоновый для выделения спин-зависимых взаимодействий. Индекс фона в диапазоне энергий 11-25 кэВ (выше космогенных пиков) для разностного спектра составляет 0.28+0.10стат±0.23Шст со б ьгти й/(кэВ ■ к г(73 G е) ■ д е н ь), в пересчете на полную массу детектора индекс разностного фона равен 0.022±0.008„aT±0.018CHCT, такой индекс фона следует ожидать в

1.Е-30

M

о 1.E-31

к s

ffl

S 1.E-32

>5

0

S

1 1.E-33 s

(S

S 1.E-34 s z о

5 1-E-35 О

1.E-36

1 10 100 1000 10000 Массы WIMP, ГэВ

Рис. 4. Ограничения на массы и сечения спин-зависимых взаимодействий WIMP с ядрами 73Ge, полученные из анализа формы разностного спектра необогащенного и обогащенного детекторов. Для сравнения чувствительности экспериментов представлены ограничения, рассчитанные из экспериментального спектра (природный Ge), полученного в работе8 и лучшие на сегодняшний день ограничения на сечения спин-зависимых взаимодействий, полученные в экспериментах с жидким ксеноном и Nal сцинтияляторами9 (экспозиции для перечисленных экспериментов указаны в легенде в единицах кг-лет).

экспериментах, если использовать детекторы из обогащенного 73Ge и контрольные детекторы, не содержащие 73Ge, например, из обогащенного 76Ge.

На Рис. 4 представлена область исключенных сечений спин-зависимых взаимодействий WIMP с ядрами 73Ge как функция массы частиц. Результаты приведены как для случая учета влияния форм фактора, так и для случая когда форм фактор не учитывался. На этом же рисунке для сравнения чувствительности экспериментов представлены ограничения, рассчитанные из экспериментального спектра (природный Ge, без учета форм фактора), полученного в работе8 и лучшие на

8 Reusser D. et al., Phys. Lett., В 255 (1991) 143.

1 Исключен э, 95% У.Д.

1 ti

;

Nal -л Jíe

1- —♦-Без форм фактора, данный эксперимент, 0.137 кг*лет I -*- С форм фактором, данный эксперимент, 0.137 кг*лет --*-DAMA Nal: 11.3 кг*пет; Хе: 1.74 кг*лет -♦-Gotthard, природный Ge, 0.141 кг*лет

сегодняшний день ограничения на сечения спин-зависимых взаимодействий, полученные в экспериментах с жидким ксеноном и Nal сцинтилляторами9. Пересчет сечений взаимодействия производился в соответствии с соотношением <j~ ft^Á2J(J+i), где было использовано

значение спин фактора для 73Ge равное 0.306, рассчитанное по одно-частичной модели. Использование вычитания спектра обогащенного детектора позволило существенно улучшить ограничения, полученные с использованием Ge детекторов, для масс WIMP больше 30 ГэВ и достичь чувствительности эксперимента, сравнимой с Nal и Хе (при одинаковой экспозиции).

Расчету ограничений на сечение взаимодействия WIMP, исходя из полученных ограничений на амплитуду годовых вариаций скорости счета детекторов, предшествовал анализ, в результате которого были обнаружены синусоидальные флуктуации скорости счета во всем диапазоне энергетического спектра, выявлены их причины и найдены пути их учета. Для расчета ограничений на сечения взаимодействия WIMP использовались откорректированные данные. Области исключенных значений масс и сечений взаимодействия WIMP, полученные с использованием данных обогащенного, необогащенного и обоих детекторов, представлены на Рис. 5. Для расчета спектров ядер отдачи были использованы те же кинематические параметры Земли и WIMP, составляющих галактическое гало, что и для расчетов исключающих областей, представленных на Рис. 3. Для вычисления амплитуды ожидаемых годовых модуляций WIMP изменение средней относительной скорости Земли и WIMP в течении года было принято ±13.2 км/с, исходя из кинематики движения Земли и гало.

Из сравнения ограничений, представленных на Рис. 3 и 5, видно, что метод годовых модуляций дает более строгие ограничения на сечения взаимодействия WIMP для частиц с массами меньше 18 ГэВ. Кроме того, с увеличением статистики (времени накопления данных и/или массы . детекторов, участвующих в эксперименте) чувствительность метода годовых модуляций существенно увеличивается (кривая для обоих

9 Bernabei R. et al, Phys. Lett. В 389 (1996) 757.

17

Массы WIMP, ГзВ

Рис. 5. Исключенные области масс и сечений взаимодействия WIMP, полученные из анализа ограничений на годовые модуляции скорости счета Ge детекторов.

детекторов на Рис.5). Для ограничений, получаемых с помощью анализа формы фоновых спектров (кривая для обоих детекторов на Рис.3), уже наступило "насыщение" при данной статистике и увеличение статистики существенно не улучшит уже полученные ограничения. Однако, для того, чтобы получить такие же ограничения из ' анализа временного распределения скорости счета детекторов, какие уже получены в данной работе из анализа формы фонового спектра и для WIMP с массами > 25 ГэВ, необходимо увеличение статистики примерно в 25 раз.

Проведен анализ суточных распределений скорости счета Ge детекторов с целью оценки чувствительности проведения такого рода экспериментов на данной географической широте. В энергетическом интервале от порога до 30 кэВ за 525 дней времени набора были получены ограничения на амплитуду суточных вариаций 5.3% для обогащенного детектора и 3.7% для необогащенного детектора на 95% У.Д. Для того, чтобы улучшить результаты по поиску суточных модуляций, нужна большая статистика и более детальный анализ результатов. Накопление статистики и усовершенствование методики обработки результатов продолжаются.

Интересные результаты ожидаются также из исследований неупругих взаимодействий WIMP с ядрами детектора, поскольку специальная сигнатура сигнала для ряда ядер может позволить значительно увеличить отношение сигнал/фон. При неупругом взаимодействии (см. Рис. 6 Л) ядро переходит в возбуждешюе состояние с последующим снятием возбуждения с испусканием у-квантов или конверсионных электронов. В результате такого взаимодействия в детекторе появляются две ионизирующие частицы: ядро отдачи и у-квант. Необогащенный детектор содержит 74 грамма 73Ge, который имеет долгоживущие возбужденные уровни (см. Рис. б Б) 13.3 кэВ (tm-2.95 [is) 66.7 кэВ (tia=0.50 s).

Чтобы возбудить первый уровень 73Ge, частицы должны иметь массу

т> 9 ГэВ для того, чтобы иметь достаточно кинетической энергии; для возбуждения второго уровня частицы должны иметь массу ш> 24 ГэВ. Эти возбуждения могут произвести частицы типа фотино или хиггсино со спин-зависимыми взаимодействиями. Форма импульса такого взаимодействия является суперпозицией энерговыделений ядра отдачи и у-квантов. Сигнал с детектора в этом случае будет являться комбинацией из энергии, выделенной ядром отдачи, и через некоторое время фиксированной, 13.3 кэВ (или 53.4 кэВ + 13.3 кэВ в случае возбуждения уровня 66.7 кэВ) энергии у- квантов или электронов конверсии. Таким образом, в случае неупругого рассеяния WIMP (с возбуждением уровня 13.3 кэВ 73Ge ) ионизационные импульсы детектора, наблюдаемые с помощью цифрового .осциллографа, будут иметь форму (см. Рис. 6 В), существенно отличающуюся от формы фоновых у или электронных импульсов (см. Рис. 6 Г). На Рис. 6В первая компонента ионизационного импульса Ei принадлежит ядру отдачи, а вторая Ег - у-квантам или электронам конверсии с энергией 13.3 кэВ. Интервал времени Т между двумя

Cf

A)

A* A+Y

(+1

1131.8

f+J 894.0 Б)

364.0

1/2- 66.7 0.50 s

13.3 2.95 (is

3J2+S-UlL

31

Ge

73

T-1-1-rl-1-1-г

10 IS 20 25 0 5 10 15 Время, |is Бремя, (is

Рис. 6. А)-Диаграмма неупругого спин-зависимого взаимодействия WIMP с возбуждением одного валентного нуклона с j на j' орбиту. Б)-схема возбужденных уровней 7,Ge (энергии уровней приведены в кэВ). В)-Пример формы импульса двойного события. Первая компонента импульса (Е1) может быть произведена ядром отдачи, вторая (Е2)- у - квантом с энергией 13.3 кэВ. Г)-Пример обычной формы импульса, производимой у -квантом или электроном.

максимумами лежит в области от 0 до нескольких времен жизни возбужденного уровня. Время прослеживания формы импульса цифровым осциллографом в данном эксперименте составляет 25 цэ, что значительно больше времени жизни этого уровня, таким образом, обе составляющие части энерговыделений таких событий могут быть зарегистрированы.

В случае возбуждения уровня 66.7 кэВ 73Ge происходят два последовательных события с интервалом времени от 0 до нескольких времен жизни этого уровня. Более того, форма импульса второго события (так же, как и в случае возбуждения 13.3 кэВ уровня) существенно отличается от формы импульса фоновых событий благодаря каскаду у-квантов 53.4 и 13.3 кэВ.

Эта отличительная особенность формы импульса неупругого рассеяния с возбуждением долгоживущих уровней была применена для поиска событий - кандидатов на роль неупругого рассеяния WIMP на ядрах 73Ge. Для этого поиска были использованы данные, полученные с необогащенным детектором, набранные за 637 дней живого времени (что соответствует 47.1 кг-день в пересчете на 73Ge) с мая 1995 по июль 1997г.

За все время набора было зарегистрировано 29 двойных событий с амплитудой первой компоненты 2.5<Е[<35 кэВ и с амплитудой второй компоненты 9.3<Е2^17.3 кэВ. 27 событий (из 29) находятся в совпадении с активной защитой. Только два события не совпадают с активной защитой и могут быть рассмотрены как кандидаты на неупругое рассеяние WIMP с возбуждением уровня 13.3 кэВ 73Ge. Таким образом, если рассматривать эти два события как фоновые, индекс фона составляет 0.0013 событий/(кэВ-кг(73Ое) день). Индекс фона необогащенного детектора для упругого рассеяния в диапазоне энергий 2.5-35 кэВ равен 0.51 событий/(кэВ-кг-день), таким образом, фактор снижения фона более, чем 300 раз.

При поиске событий, которые происходили в течении 3 секундного интервала времени перед событием с энергией около 66.7 кэВ (время жизни возбужденного уровня 66.7 кэВ составляет 0.72 с), было найдено 5 событий, которые попадают в энергетический диапазон 2.5-35 кэВ, что соответствует индексу фона 0.0032 событийУ(кэВ-кг(73Ое)-день). Следует отметить, что при отборе этих событий не была использована возможность

отбора по форме второго события (каскад у-квантов 53.4 и 13.3 кэВ), так как динамический диапазон данного цифрового осциллографа недостаточен.

Массы WIMP, ГэВ

Рис. 7. Области исключенных масс и сечений взаимодействия WIMP, полученные из анализа неупругого рассеяния с возбуждением уровней bGe 13.3 кэВ (нижний график) и 66.7 кэВ (верхний график).

Области исключенных масс и сечений взаимодействия для неупругого рассеяния WIMP на ядрах 73Ge с возбуждением уровней 13.3 и 66.7 кэВ представлены на Рис. 7. Исключающие области рассчитывались с использованием тех же кинематических параметров, что и исключающие области для упругого рассеяния. Величины энергий возбуждения (13.3 и

/ г т ттл \ <-' ...... Т______«_____

В заключении подведены итоги данной работы и кратко сформулированы

основные результаты.

Основные результаты, полученные в диссертации:

1. Получены новые ограничения на сечение когерентного взаимодействия WIMP в широком диапазоне масс с ядрами Ge (см. Рис.3). В частности, тяжелые дираковские нейтрино исключены, как кандидаты на роль частиц холодной Темной Материи в диапазоне масс 13 ГэВ - 4.5 ТэВ.

2. Впервые получены ограничения на сечения спин-зависимых взаимодействий WIMP с ядрами 73Ge для упругого (см. Рис.4) и неупругого, с возбуждением 13.3 и 66.7 кэВ уровней (см. Рис.7), взаимодействий для масс WIMP> 15 ГэВ.

3. Получены новые ограничения на сечение когерентного взаимодействия WIMP с ядрами Ge из анализа данных по поиску годовых модуляций скорости счета детекторов в низкоэнергетпческой части спектра для масс WIMP >7.5 ГэВ (см. Рис.5).

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Sagdeev I.R. Dnikier А.К, Welsh D.J., Klimenko A.A., Osetrov S.B., Smolnikov A.A., Pulse shape analysis for germanium detectors used in DM searches. Nucl. Pliys. В (Proc.Suppl.) 35 (1994) 175.

2. Klimenko A.A., Osetrov S.B., Smolnikov A.A., Vasiliev S.I ., Baksan Phase of the IGEX. Proceedings of Int.School "Particles and Cosmology", Baksan Valley, April 19-27,1995, p.108, 154 (World Scientific, Singapore,1996).

3. Klimenko A.A., Osetrov S.B., Smolnikov A.A., Vasiliev S.I., Avignone F.T., Drukier A.K., Sagdeev I.R., Brodzinski R..L., Miley H.S., Reeves J.H., A search for annual and daily dark matter modulations with Ge detectors at Baksan. Preprint INR-0948/97/ August 1997.

4. Klimenko A.A., Osetrov S.B., Smolnikov A.A., Vasiliev S.I., Avignone F.T., Drukier A.K., Sagdeev I.R., Brodzinski R.L., Miley H.S., Reeves J.H., A search for annual and daily dark matter modulations with Ge detectors at Baksan. Proceedings of Int.School "Particles and Cosmology", Baksan Valley, April 15-22, 1997.

5. Klimenko A.A., Osetrov S.B., Smolnikov A.A., Vasiliev S.I., Avignone F.T., Drukier A.K., SagdeevIR., Brodzinski R.L., Miley H.S., Reeves J.H., Search for WIMPs with large volume Ge detectors at Baksan Neutrino Obcervatory. Proceedings of the Second Workshop on "The Dark Side of the Universe", November 13-14, 1995, Roma, Italy, World Scientific, Singapure, 1996, p. 154.

6. Klimenko A.A., Osetrov S.B., Smolnikov A.A., Vasiliev S.I., Avignone F.T., Drukier A.K., Sagdeev I.R., Brodzinski R.L., Miley H.S., Reeves J.H., A search for annual and daily dark matter modulations with Ge detectors at Baksan. Proceedings of the Workshop on "Aspects of Dark Matter in Astro-and Particle Physics", September 16-20, 1996, Heidelberg, Germany, World Scientific, Singapure, 1997, p. 473.

7. Klimenko A.A., Osetrov S.B., Smolnikov A.A., Vasiliev S.I., Avignone F.T., Brodzinski R.L., Miley H.S., Reeves J.H., A search for annual and daily dark matter modulations with Ge detectors at Baksan. Proceedings of the "NANP-97, International Workshop on non-Accelerator New Physics", My 7-11, 1997, Dubna, Russia.

Отпечатало прямым репродуцированием с оригинала, представленного автором

Ф-т 60x84/16 Уч.-тпд.л. 1,5 Заказ N0 20107 Тираж 100 экз. Бесплатно

Издательский отдел Института ядерных исследований РАН Москва, проспект 60-летая Октября, 7а