Cette image montre le nouveau module SENSEI skipper-CCD. Crédit :collaboration SENSEI
Qu'est-ce qui fait un bon détecteur de matière noire ? Il a beaucoup en commun avec une bonne configuration de téléconférence :vous avez besoin d'un microphone sensible et d'une pièce calme.
Les scientifiques travaillant sur l'expérience SENSEI au laboratoire Fermi du ministère de l'Énergie ont maintenant démontré pour la première fois un détecteur de particules basé sur un dispositif à couplage de charge, ou CCD, technologie—avec à la fois la sensibilité et les taux de bruit de fond réduits nécessaires pour une recherche ecace des particules de matière noire de faible masse, la substance mystérieuse qui représente environ 80 pour cent de toute la matière dans l'univers.
La démonstration est importante à deux égards. D'abord, les taux de fond mesurés par le détecteur SENSEI sont des plus bas records pour un détecteur au silicium. Ils fixent les limites les plus strictes au monde sur les interactions de la matière noire avec les électrons, à travers une large gamme de modèles. Seconde, il montre la haute qualité des détecteurs qui seront utilisés dans l'expérience SENSEI à grande échelle en cours de construction. SENSEI fonctionnera au laboratoire souterrain profond canadien SNOLAB.
Le détecteur SENSEI est un CCD de 5,4 mégapixels composé de 2 grammes de silicium fonctionnant actuellement à environ 100 mètres sous terre au Laboratoire Fermi. Si une particule de matière noire entre en collision avec l'un des électrons du silicium, l'énergie transférée à l'électron peut suffire à le libérer de la structure cristalline du silicium. S'il y a assez d'énergie, des électrons supplémentaires seront libérés. Cette charge est le signal que les scientifiques de SENSEI recherchent. Plus le signal SENSEI peut détecter, plus la gamme de modèles de matière noire qu'il peut tester est large.
Cela montre le module SENSEI CCD dans la cuve du détecteur. Crédit :collaboration SENSEI
Pour observer de petits signaux de matière noire, la première chose dont les scientifiques ont besoin est un détecteur sensible. En d'autres termes, ils doivent être capables de détecter un petit signal et de le distinguer systématiquement d'un détecteur vraiment vide. Comme démontré dans des travaux antérieurs, les skipper-CCD de SENSEI, conçu par Lawrence Berkeley National Laboratory, peut compter le nombre exact d'électrons dans chaque pixel.
Seconde, les scientifiques ont besoin d'un faible bruit de fond :le taux d'événements de type signal provenant de causes autres que la matière noire doit être faible. Un détecteur sensible avec un fond élevé est comme un microphone de studio dans une pièce bruyante. Même si le microphone peut capter un murmure, votre voix douce pourrait être noyée par le bruit de la machine à laver en arrière-plan. La seule façon d'améliorer l'enregistrement est d'éliminer le bruit de la machine à laver.
Dans ces données de test, prise avec un temps d'acquisition très long, nous avons tracé la charge mesurée dans chaque pixel. La vraie charge est bien entendu toujours un nombre entier d'électrons. La précision de mesure est une petite fraction d'un électron, donc les pixels à 0 électron et à 1 électron sont bien séparés, et il n'y a aucune possibilité de mal catégoriser un pixel vide. Crédit :collaboration SENSEI
La collaboration SENSEI a maintenant démontré pour la première fois qu'elle dispose d'un détecteur de matière noire sensible et peut réduire les taux de fond. Il est important de démontrer qu'un détecteur peut atteindre de faibles taux de fond avant de passer à une expérience plus large avec la même technologie, car sinon, vous allez simplement augmenter votre taux de fond. Les recherches précédentes de matière noire par SENSEI ont utilisé des prototypes de CCD, qui avaient une sensibilité élevée mais aussi des arrière-plans élevés car ils n'étaient pas fabriqués avec du silicium de la plus haute qualité.
SENSEI exclut les régions bleues, où le taux d'interactions avec la matière noire serait supérieur au taux d'événements observé par SENSEI. Les régions grises sont exclues par d'autres expériences. Les bandes oranges sont favorisées par les modèles théoriques et sont des cibles pour l'expérience SENSEI à grande échelle. Crédit :collaboration SENSEI
La nouvelle recherche de matière noire de SENSEI a donné le premier résultat de ses nouveaux CCD de qualité scientifique, qui ont été fabriqués dans un cycle de production dédié pour SENSEI avec du silicium de haute qualité. La collaboration a également réduit la quantité de rayonnement qui frappe le CCD en ajoutant un blindage supplémentaire autour de l'expérience. Le résultat a été une diminution des taux d'événements de fond par rapport à la recherche précédente avec un prototype de CCD. Le taux d'événements à électron unique est passé de 33, 000 à 450 événements/gramme-jour, et nous voyons moins d'événements à deux électrons (cinq, au lieu de 21) dans une exposition beaucoup plus importante (2,09 gramme-jours, contre 0,043). Nous ne voyons pas non plus d'événements à trois ou quatre électrons, tout comme dans la recherche précédente, mais avec une plus grande exposition.
Les CCD de qualité scientifique fonctionnent aussi bien qu'on aurait pu l'espérer, et SENSEI s'attend à ce que les taux de fond soient encore plus bas chez SNOLAB.
