Введение

Эксперимент по исследованию физики. Криогенный поиск темной материи (CDMS) – это серия экспериментов, разработанных для прямого обнаружения частиц темной материи в форме слабо взаимодействующих массивных частиц (или WIMP). Используя массив полупроводниковых детекторов при милликельвиновых температурах, CDMS в разное время устанавливал наиболее высокие ограничения на взаимодействие темной материи WIMP с земными материалами (по состоянию на 2018 год ограничения CDMS не являются самыми высокими). Первый эксперимент, CDMS I, проводился в туннеле под кампусом Стэнфордского университета. За ним последовал эксперимент CDMS II в шахте Судан. Последний эксперимент, SuperCDMS (или SuperCDMS Soudan), располагался глубоко под землей в шахте Soudan на севере Миннесоты и собирал данные с 2011 по 2015 год. Серия экспериментов продолжается с SuperCDMS SNOLAB, экспериментом, расположенным на объекте SNOLAB недалеко от Садбери, Онтарио, в Канаде, строительство которого началось в 2018 году и который, как ожидается, начнет сбор данных в начале 2020-х годов.

Предыстория

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 тёмной массы ответственна за увеличение гравитационной силы в этих масштабах, хотя эта масса не была обнаружена напрямую. Это представляет собой проблему: обычная материя в космосе нагревается до тех пор, пока не начинает излучать свет, поэтому, если эта тёмная масса существует, предполагается, что она находится в форме, которая обычно не наблюдается на Земле. Со временем было предложено несколько кандидатов на роль тёмной массы. Ранние кандидаты включали в себя тяжёлые барионы, которые должны были образоваться в Большом взрыве, но более поздние исследования в области нуклеосинтеза, по-видимому, исключили большинство из них. 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 трудно обнаружить. Марк Гудман и Эдвард Виттен предложили аналогичный метод для обнаружения WIMP. CDMS I собирал данные о поиске WIMP на небольшой глубине под землей (в комплексе SUF, Stanford Underground Facility) в Стэнфордском университете в период с 1998 по 2002 год. CDMS II работал (в сотрудничестве с Университетом Миннесоты) в шахте Судан с 2003 по 2009 год (сбор данных проводился в 2006–2008 годах). Самый новый эксперимент, SuperCDMS (или SuperCDMS Судан), с использованием интерлированных электродов, большей массы и улучшенного подавления фонового шума, собирал данные в Судане в период с 2011 по 2015 год. Серия экспериментов продолжается с SuperCDMS SNOLAB, который в настоящее время (2018 год) строится в SNOLAB и должен быть завершен в начале 2020-х годов. В серию экспериментов также входит эксперимент CDMSlite, в котором использовались детекторы SuperCDMS в Судане в специальном режиме работы (называемом режимом CDMSlite), предназначенном для высокой чувствительности к WIMP с малой массой. Поскольку в эксперименте CDMS используются различные детекторы, в частности, два типа детекторов на основе германия или кремния соответственно, эксперименты, основанные на конкретной конфигурации детекторов CDMS и собранных данных, иногда получают названия, такие как CDMS Ge, CDMS Si, CDMS II Si и так далее.

Результаты

17 декабря 2009 года коллаборация объявила о возможном обнаружении двух кандидатов в частицы WIMP, одно – 8 августа 2007 года, а другое – 27 октября 2007 года. Благодаря небольшому числу событий, команда смогла исключить ложноположительные результаты, вызванные фоновым шумом, таким как столкновения нейтронов. Оценивается, что такой шум приводил бы к возникновению двух или более событий в 25% случаев. Для уменьшения нейтронного фона были установлены поглотители из полиэтилена. Анализ 2011 года с более низкими энергетическими порогами был направлен на поиск свидетельств существования WIMP с малой массой (M < 9 ГэВ). Полученные ограничения исключают намеки, заявленные новым германиевым экспериментом CoGeNT, а также давний результат годичной модуляции, полученный экспериментами DAMA/NaI и DAMA/LIBRA. Дальнейший анализ данных, опубликованный в Physical Review Letters в мае 2013 года, выявил 3 события, интерпретируемые как обнаружение WIMP, при ожидаемом фоне в 0,7, с массами, соответствующими ожидаемым для WIMP, включая нейтралино. Вероятность того, что эти события являются аномальным фоновым шумом, составляет 0,19%, что обеспечивает уровень доверия результата в 99,8% (3 сигмы). Хотя это и не является окончательным доказательством существования WIMP, это значительно укрепляет теоретические предположения. Этот сигнал был зарегистрирован экспериментом CDMS II и называется сигналом CDMS Si (иногда сам эксперимент также называют CDMS Si), поскольку он был зафиксирован кремниевыми детекторами. Результаты поиска SuperCDMS за период с октября 2012 года по июнь 2013 года были опубликованы в июне 2014 года, в них сообщается об 11 событиях в сигнальной области для WIMP с массой менее 30 ГэВ и установлена верхняя граница для спин-независимого сечения рассеяния, что противоречит недавнему сигналу низкой массы, полученному в эксперименте CoGeNT.

СверхКДМС SNOLAB

Для SNOLAB планируется второе поколение SuperCDMS. Этот проект является расширением SuperCDMS Soudan во всех аспектах: отдельные диски детектора имеют диаметр 100 мм / 3,9 дюйма и толщину 33,3 мм / 1,3 дюйма, что составляет 225% объема дисков диаметром 76,2 мм / 3 дюйма и толщиной 25,4 мм / 1 дюйм, использованных в Судане. Их количество увеличено, предусмотрено место для 31 "башни" по шесть дисков в каждой, хотя эксплуатация начнется с четырех башен. Детектор имеет улучшенную защиту как за счет более глубокого расположения в SNOLAB, так и за счет повышенного внимания к радиочистоте при его изготовлении. Увеличение массы детектора не столь значительно, поскольку около 25% детекторов будут изготовлены из кремния, который весит всего 44% от массы аналогичных детекторов. Заполнение всех 31 башни в таком соотношении приведет к общей массе около 222 кг.

Несмотря на неоднократные задержки (первоначальные планы предусматривали начало строительства в 2014 и 2016 годах), проект остается активным, для него выделено пространство в SNOLAB и запланировано начало строительства в начале 2018 года. Строительство SuperCDMS в SNOLAB началось в 2018 году, а начало эксплуатации – в начале 2020-х годов. Бюджет проекта на тот момент составлял 34 миллиона долларов США. В мае 2021 года детектор SuperCDMS SNOLAB находился в стадии строительства, проводились предварительные научные исследования (или прототипирование, или предварительные испытания) с использованием прототипного и тестового оборудования как в SNOLAB, так и в других местах. Ожидалось, что полный детектор будет готов к сбору научных данных к концу 2023 года, а научные операции продлятся 4 года (с двумя отдельными сериями измерений) с 2023 по 2027 год, с возможными расширениями и дальнейшими разработками после 2027 года. В мае 2022 года установка детектора SuperCDMS SNOLAB находилась в стадии завершения, планировался запуск пуско-наладочных работ в 2023 году. Первый научный запуск с полной нагрузкой детектора запланирован на начало 2024 года, а публикация первых результатов – на начало 2025 года. В июне 2023 года установка SuperCDMS SNOLAB шла полным ходом. Запуск пуско-наладочных работ ожидался в 2024 году.

Предложение GEODM

Третье поколение SuperCDMS планируется, хотя все еще находится на ранней стадии разработки. GEODM (Germanium Observatory for Dark Matter) с детекторной массой около 1500 кг проявило интерес к площадке SNOLAB "Cryopit". Увеличение массы детектора повышает его чувствительность только в том случае, если не увеличивается количество нежелательных фоновых событий, поэтому каждое поколение должно быть чище и лучше экранировано, чем предыдущее. Строительство в десятикратных этапах преследует цель разработки необходимых технологий экранирования перед окончательным определением конструкции GEODM.