TECNICHE DI RIVELAZIONE DIRETTA : STATO ATTUALE:

Riassumo: si aspetta che le WIMP abbiano massa nel range GeV-TeV ; p= poche

decine di MeV ed un’energia inferiore a 100 KeV può essere trasferita ad un

nucleo in un esperimento terrestre; gli eventi aspettati sono da 1 a 10-3 per kg y di

Esposizione di un rivelatore. PER OSSERVARE EVENTI WIMP OCCORRONOUNA SOGLIA BASSA , UN BASSISSIMO BACKGROUND , UNA GRANDE MASSA!!.

In un rivelatore il rinculo si trasforma in un segnale misurabile come:

IONIZZAZIONE, SCINTILLAZIONE o in FONONI (aumento di temperatura);

L’osservazione simultanea di due segnali porta ad un’importante discriminazione

contro gli eventi di Background che è dovuto per la maggior parte ad ELETTRONI,che

simulano uno scattering di WIMP; altri fondi sono gli scattering di NEUTRONI su nuclei; il decadimento di particelle .

I rivelatori possono essere classificati in vari modi; mi sembra che la seguente

distinzione sia la più efficace:

1)RIVELATORI CRIOGENICI A STATO SOLIDO (FONONI +IONIZZAZIONE)

2)CRISTALLI SCINTILLANTI(FONONI+LUCE)

3) RIVELATORI A LIQUIDO NOBILE

4) RIVELATORI A LIQUIDO SURRISCALDATO

Considererò SOLO alcuni:

a)CDMS ,CRESST,GOGENT

b) DAMA

c) LUX e XENON100

d) COUPP, PICASSO e SIMPLE, MOSCAB

Prima farò un brevissimo richiamo sui FONONI (BOLOMETRI)

LTDs=Low Temperature Detectors

RIVELATORI CRIOGENICI ALLO STATO SOLIDO

Questi funzionano a temperature sotto Kelvin, dove si hanno ottime risoluzionienergetiche (<1% a 10 keV) ; essi hanno un’ottima capacità di distinguererinculi nucleari da quelli di elettroni; la capacità termica dipende da T3 abasse energie e quindi piccole quantità di calore portano a rivelabili variazionidi temperatura; la variazione di T può essere misurata sia all’equilibriotermico , sia nella fase che precede tale equilibrio; la seconda misura fornisce dati sulla POSIZIONE dove è avvenuto l’evento termico. Spesso tali rivelatori sono capaci di misurare anche altre caratteristiche diun evento, ad esempio la IONIZZAZIONE DEL RINCULO e l’insieme delle due misure fornisce una possibilità di distinguere se il segnale è dovuto aduno ione o ad un elettrone. Esperimenti di questo tipo sono:CDMS,CRESST,EDELWEISS che operanoa SOUDAN (CANADA’), ai LNGS (ITALIA) ed al FREJUS (LSM-LaboratoireSouterrain de MODAN). CoGeNT e CDEX sono anche del tipo in discussione.CDMS II con 612 kg y ; CRESST con 730 kg y ; EDELWEISS+CDMS con 614 kg y; un altro esperimento è CoGeNT(Coherent Ge Neutrino Technology)Operante con un Ge di 0.5 kg nella miniera di Soudan (MN).

TES e ST sono Sensori Termici; Transition Edge Sensors;

CDMS (CRIOGENIC DARK MATTER SEARCH)

-Breve storia: iniziano in un sito poco profondo a Stanford nel 2002;Poi continuano nel 2003 nella miniera del Soudan (Minnesota)dal 2003viene chiamato CDMS II; ora lavorano con superCDMS.Hanno 9.3 kgdi Ge attivo (15 DISCHI da 7.6 cm di diametro x 2.5 cm di spessore)Si sono trasferiti a SNOLAB con 100-200 kg di rivelatore attivo costituitoda 1380 DISCHI (10 cm di diametro e 3.3 cm di spessore) e dovrebbe entrareIn funzione molto presto.

-Principio di funzionamento: oltre ai Ge hanno dei piani di Si ; Le particelleNeutre che interagiscono nel rivelatore tramite i loro prodotti carichi, depositanoEnergia sotto la forma di FONONI ed IONIZZAZIONE. Sensori di fononi incima al rivelatore sono connessi a 4 canali di lettura per permettere la misuradell’energia e della posizione di un evento; questi sensori sono anche la terraper la misura della Ionizzazione. Il campo elettrico per la misura della ionizzazioneè formato applicando un potenziale alla superficie di fondo del rivelatore che èsegmentato in 2 elettrodi concentrici; Gli eventi che segnalano ionizzazione nel più esterno degli elettrodi (concentrici) di ionizzazione vengono rigettati, definendocosì un volume fiduciale. I rivelatori sono raggruppati in 5 torri e 6 piani per torre.

I rivelatori hanno quindi 2 nomi T1-T5 e Z1-Z6.; contatori adiacenti in una torrepossono essere connessi.Il rapporto R=ionizzazione/E(rinculo)=ionizzazione/fononi separa gli elettronidai rinculi nucleari a livelli 10(-4). Un aiuto lo da anche la velocità di crescitadell’impulso dei fononi in superficie! Questo consente di arrivare ad una separazioneelettroni-rinculo di 10-6.

Ba133Bulk Ba133 Surface ev.Cf neutrons

Il Ba 133 è sorgente di ed X EC

Evoluzionedi CDMS

T1Z5

T3Z4

R su Energia rinculo

R su tempo di risalita

R su EnergiaDel Rinculo2 Punti (rossi)candidati

R su RisingTime;2 Punti rossi(candidati)

Conclusione : 2 Eventi—Fondo aspettato 0.4

C R E S S T (Lab. Naz. Del GRAN SASSO):Cryogenic Rare Event Search with

Superconducting Thermometers

Coll. Max-Plank and Universitat of Munken;Coimbra,Vienna,Tubingen,Oxford

L’esperimento CRESST utilizza due informazioni:

a) La luce con 18 cristalli di CaWO4 scintillanti e connessi a rivelatori di luce (P.M.) (Tungstato di Ca)

Questi cristalli operano come calorimetri criogenici; ciascuno è è connesso ad un sensore di calore (TES Transition Edge Sensor)

b) Segnale di luce: i rinculi nucleari emettono << luce degl elettroni e gamma.

La misura di b) è usata per discriminare evento x evento dal fondo di elettroni

Invece la misura a) fornisce la precisa misura dell’energia depositata nel cristallo.

Utilizzano circa 30kgxdays ed accettano gli eventi che emettono meno luce dell’ossigeno. Definiscono light yield LY =Elight/Ephonons

Quantità di luceSu Energia evento

---Linea dell’Ossigeno=limite per WIMP

Calibrazioni con Co57 (vedi varu Picchi)

Conteggi su Energia(keV); i picchi a 2.6 e 11.3 keV sono attribuibili alla CE del Tl179; in Fig. 3 efficienza ottenuti con impulsi di calore

Red.ideale

Blu con tutti i tagli imposti

O 16Ca 40W 184

Frazione di SegnaleDovuta ai vari elementiSu Massa WIMP

Red=CRESST

Green=SUPERCDMS

Blue=LUX and Xe100

Orange =DAMA LIBRA

Wimp sezione d’urto Su M Wimp;

CRESST efficace a BASSE MASSE

CoGeNT ( Coherent Germanium Neutrino Technology) Ge a 77 K

Coll..Pacific Northwest Lab.USA; CANBERRA; University of Washington

-Dati raccolti: a) in piccole profondità b)in SOUDAN UNDRGROUND LAB.(SUL); nel 2011 incendio!

-Ricercano in particolare la MODULAZIONE come DAMA-LIBRA ed hanno

un eccesso di eventi(2.8 ).

-Il rivelatore GE usa un p-type point contact (PPC) cha una bassa energia di

soglia ed una ottima capacità di rigetto di eventi in superficie. La sua massa è 0.440 kg

-Separano gli eventi di fondo (vicino alle superfici) considerando il tempo di

crescita ,che è maggiore (le cariche libere sono di più in superficie e

schermano maggiormente l’impulso di elettroni e positroni).

Dividono in 4 parti:1)tra 0.5 e 2 keV e <0.7 s

2)2.0-4.5 keV e<0.7 s

3)0.5-2 keV e >0.7 s

4)2.0-4.5 keV e>0.7s

Trovano che solo dal bulk si hanno oscillazioni simili a DAMA-LIBRA

→ Sì Sono Indicati i picchi di DAMA

→ No

→ No

→ No

Uso di COGENT +DAMA Sposta

La sigma a più basse Masse;CDMS

Esclude quasi tutto

Ed anche LUX e Xenon escludono

I risultati di DAMA

8 W. Rau – MPI-HD, February 2013

Evidence Dark Matter Analysis

Super CDMS Conclusion CDMS

CDMS Technology Detectors Cryogenic ionization detectors, Ge (Si)

∅ = 7 cm, h = 1 cm, m = 250 g (100 g) Thermal readout: superconducting phase transition sensor (TES) Transition temperature: 50 – 100 mK 4 sensors/detector, fast signal (< ms) Charge readout: Al electrode, divided Low bias voltage (3 V, to minimize Luke effect)

C R I S T A L L I S C I N T I L L A N T I

ESPERIMENTO DAMA-LIBRA(Dark MAtter-Large sodium Iodide Bulk for

RAre processes)

-Cercano la modulazione di un segnale di D.M.; la TERRA si v mdoveuove rispetto al SOLE .Sia f(v) la distribuzione di velocità della D.M. rispetto al centro Galattico (f(v) in media sarà =0); così nel lab.(sulla terra) si avrà :

f(v,t)=((vobs(t)+v

dove vobs= vsole+ vterra(t) ; Vobs(t)= Vsole [cos(t-t1) + sin((t-t1)]

Che diventa in un opportuno sistema di riferimento con sviluppo di Fourier:

dR/dE(E,t)≈S0(E)+Sm(E)cos((t-t0) dove Sm<<S0 /anno e t0= fase

-Usano 250 kg di NaI(Tl) : è uno scintillatore; l’esperimento ha accumulato 1.17 ton-y. 25 cristali da 9.7 kg ciascuno sono circondati da strati di Cu,Pb,Cd,polietilene,paraffina + un blocco (1 m) di cemento. LoStrumento è sensibile con 5-8 fotoelettroni per 2 keV:fondo molto poco(40K)

-Con 13 anni di esposizione ed ha 9 di certezza della modulazione con una FASEdi Maggio 26 ±7 giorni (Le previsioni dello SHM sono 1 Giugno).

-Hanno il segnale di modulazione tra 2-6 keV, scompare tra 6-14 kev..

SagittarioLo streamÈ ortogonaleAl piano galatticoe non altera lavelocità paralle-la al piano

Giugno ilVento di WimpHa velocità >

Fit con masse di WIMP76 e 11 GeV;Asse x=energia del rinculoAsse y=ampiezza di modulazionecon errore

R I V E L A T O R I C O N L I Q U I D I N O B I L I

-Questi corrispondono sostanzialmente a due esperimenti con Xenon:

-LUX (esperimento in USA e Xenon100 in Italia (Gran Sasso)

L U X (Large Underground Xenon experiment

Coll. :Harward,Imperial College,L.B.L.,etc.

E’ realizzato a Sanford Underground Laboratory (SURF) nella miniera di

Homestake (quella di DAVIS) in South Dakota-Copertura di circa 2400 m.w e;

-Utilizzano 370 kg di Xenon liquido in una TPC; interazioni nello Xenon liquido

generano FOTONI ultravioletti ed ELETTRONI: i FOTONI sono visti da due

Gruppi di P.M. ( 61 ciascuno) e costituiscono il segnale S1. Gli ELETTRONI

Sono spinti verso l’alto da un campo elettrico che li conduce nello XENON

Gassoso.e producono fotoni di elettroluminescenza costituendo un segnale

Chiamato S2.

Asse x= segn. S1

Asse y=log(S2/S1)

Taratura con Trizio(in alto).(elettroni)

Taratura con AmBe (basso)

Linee tratt, 1.3 sigma

1 mDRU=1/(1000 KeV) Run: quasi tutti in zona elettroni e gamma)

Fondo : 2.6+-0.2+- 0.4; Segnale 3.6+-0.3

X E N O N 100 Coll. COLUMBIA ZURICH LNGS CALIFORNIA UNIVERSITY

-L’esperimento è in funzione ai LNGS-Usano un bersaglio attivo di 62 kg circondato da un veto LXe di 99 kg-La tecnica è simile a quella di LUX :1) SCINTILLAZIONE RAPIDA NEL LIQUIDO e 2)SCINTILLAZIONE PROPORZIONALE nel gas sovrastante-Lo Xe ha una fortunata combinazione di due vantaggi: 1) Volume omogeneo ed ultra puro di LXe 2)Possibilità di misurare NON solo l’energia di un evento,ma anche la localizzazione tridimensionale.-Il rivelatore è una TPC simile a quella di LUX che fornisce due segnali: S1 (Luce scintillante rapida) ;S2 che misura la ionizzazione nel GAS. Il rapporto S2/S1 fornisce anche una separazione tra eventi con gamma ed elettroni ed eventi con soli rinculi nucleari

Catodo

Anodo

S1 S2 Drift time

P.M.(cerchi)

P.M. più vicini possibile

Efficienza quantica

Blu in alto; rosso in

basso

Asse x=energia

Asse y=log(S2/S1)

Asse x=R2 (cm2)

Asse y= Z

Rosso=volume fid. ; gli eventi sono al bordo!

10-39 cm2

10-45 cm21000 GeV

Verde = Xenon 100 limiti

FINE TRASPARENZE DI LEZDOTT1