Множество инициатив по поиску прямых взаимодействий с тёмной материей стремятся достичь беспрецедентной чувствительности к массам тёмной материи ниже GeV/c² через упругое рассеяние на ядрах самых разных кристаллов при криогенных температурах. Материалы, богатые водородом, такие как органические соединения, являются перспективными кандидатами для обнаружения тёмной материи ниже GeV/c² благодаря благоприятной кинематике. В этой статье мы впервые представляем результаты, полученные с помощью фононового детектора на основе сахара, использующего кристаллы сахарозы (C₁₂H₂₂O₁₁), способного к обнаружению частиц с сопутствующим сцинтилляционным светом..

I. Введение

Идентичность тёмной материи остаётся открытым вопросом в современной физике. Слабовзаимодействующие массивные частицы (WIMP) с массой O(GeV-TeV/c²) были одними из наиболее вероятных кандидатов, однако существуют убедительные модели, как, так называемая, «лёгкая тёмная материя», которая представляет собой перспективный, но пока в значительной степени неизученный диапазон масс за пределами традиционной парадигмы WIMP. Теоретические модели такого рода, естественным образом предсказывают таких кандидатов на звание частиц темной материи (далее ТМ), которые остаются совместимыми с космологическими ограничениями. Несколько коллабораций, включая CRESST, SuperCDMS, TESSERACT, DELight и BULLKID, разрабатывают детекторы следующего поколения с целью доступа к меньшим массам тёмной материи с беспрецедентной чувствительностью.

Чтобы повысить чувствительность к массам ТМ ниже GeV/c², требуются более лёгкие целевые материалы, поскольку они обеспечивают более эффективную передачу импульса в взаимодействиях ТМ низкой массы. Органические материалы, в частности, являются перспективными кандидатами благодаря высокому содержанию водорода. Среди потенциальных органических кандидатов сахароза, дисахаридный изомер с молекулярной формулой C₁₂H₂₂O₁₁, предлагает привлекательную комбинацию ядер водорода, углерода и кислорода, позволяя измерять в более широком диапазоне масс тёмной материи. Эти особенности, в дополнение к низкой стоимости, позиционируют сахарозу как убедительную цель для будущих низкотемпературных детекторов, исследующих пространство параметров тёмной материи ниже GeV/c².

Цель проекта SWEET — исследовать пригодность кристаллов сахара в качестве потенциальных детекторов тёмной материи. В этой статье мы сообщаем о первых результатах работы монокристалла сахарозы в качестве детектора частиц при температурах в миллиКельвинах.

II. Поиски тёмной материи с сахаром

Чтобы оценить его пригодность для прямого обнаружения тёмной материи, прогнозируемые пределы исключения для сахарозы сравниваются с ранее использованными кристаллами в разных исследованиях: алмаз (C), сапфир (Al₂O₃), вольфрамат кальция (CaWO₄) и алюминат лития (LiAlO₂). Кроме того, сравнивается также гелий из-за его низкой массы. Эти пределы получены при предположении нулевого фона для экспозиции 1 кг·день, порога энергии 5 эВ и стандартной модели гало с ρ_DM = 0.3 GeV/(c²·см³), v_esc = 544 км/с, v_Earth = 232 км/с и характерной скоростью WIMP v₀ = 220 км/с. Результаты показаны на рисунке 1.

Результаты указывают, что сахар среди рассмотренных кандидатов способен приближаться к наименьшим массам WIMP-подобной ТМ, при условии, что фононы, производимые взаимодействиями частиц, могут эффективно собираться.

В дополнение к традиционному спин-независимому взаимодействию WIMP-нуклон, рассмотренному выше, наличие неспаренных протонов в органических кристаллах делает их интересным кандидатным материалом для исследования спин-зависимых взаимодействий WIMP-протон.

III. Сборка детектора на основе сахара

Цель этого исследования — выяснить, проявляют ли кристаллы сахара обнаруживаемые сигналы частиц и излучают ли они сцинтилляционный свет. Для этого был спроектирован и собран специальный модуль детектора с каналами считывания фононов и света.

Для производства монокристаллических образцов сахара была применена техника роста кристаллов на основе принципа медленной рекристаллизации из перенасыщенного раствора сахарозы. Соотношение по массе коммерчески доступного сахара к деионизированной воде 3:1 нагревалось до полного растворения. Раствор затем постепенно охлаждался в герметичном контейнере, чтобы избежать поверхностной кристаллизации. Начальная кристаллизация индуцировалась на подвешенных нейлоновых нитях (рисунок 2), и в течение нескольких недель собирались монокристаллические структуры достаточного размера, а их поверхности полировались. Для начального теста был выбран один кристалл сахара с примерно регулярной формой и массой 0,96 г.

Выбранный кристалл был оснащён нейтронно-трансмутационно-легированным (NTD) германиевым термистором (1×1×3 мм³), приклеенным с помощью трёх маленьких точек эпоксидного клея¹, нанесённых через маску из майлара Gäßl+Pfaff GP 12 для обеспечения точного размещения и предотвращения слияния точек клея (рисунок 3a).

Кристалл сахара был установлен в медный держатель, опирающийся на тонкие опоры из PTFE (политетрафторэтилена). Эти элементы обеспечивали механическую стабильность во время теплового сжатия и служили слабой тепловой связью между кристаллом и теплоотводом. Кристалл был закреплён в держателе зажимом, обёрнутым лентой PTFE для защиты хрупкого материала. Электрические контакты к NTD-термистору были сделаны с помощью одиночных золотых проволок диаметром 25 мкм, припаянных к медно-каптоново-медным площадкам.

Чтобы исследовать потенциальную сцинтилляцию, кристалл сахара был оптически связан с детектором света (рисунок 3b). Он состоял из кристалла кремния на сапфире (SOS) 20×20×0,4 мм³ с сенсором переходного края (TES), микроизготовленным непосредственно на поверхности. Отражающая фольга была размещена под кристаллом сахара и над детектором света для повышения эффективности сбора света. Непрерывный поток данных записывался одновременно с данными кристалла сахара для захвата совпадающих событий.

Полная сборка детектора была установлена и протестирована при криогенных температурах в дилюционном холодильнике Oxford Instruments в Институте физики Макса Планка в Гархинге недалеко от Мюнхена (Германия) с базовой температурой ниже 7 мК. Данные записывались как непрерывный поток с частотой дискретизации 50 кГц с помощью 16-битного цифроизмерителя от National Instruments (NI USB-6218 BNC).

IV. Предварительные наблюдения

Примерно 19 часов непрерывных потоковых данных были получены во время кампании измерений. Индивидуальные оптимальные фильтры были реализованы для каналов детекторов сахара и света с использованием усреднённого шаблона импульса, полученного из представительских событий сигнала, и спектров мощности шума. Канал детектора сахара использовался как первичный триггер для сбора данных. Чтобы подавить наличие значительного шума 50 Гц, наблюдаемого в данных, порог триггера анализа был установлен на 20 мВ. Учитывая разрешение базовой линии 1,4 мВ на детекторе сахара, этот порог обеспечивал, что влияние шума на результаты пренебрежимо мало. После триггера были сделаны качественные отсечки на основе шума и параметров импульса. Полученный отфильтрованный спектр импульсов для детектора сахара показан на рисунке 4.

Спектр не показывает четких особенностей. Это отсутствие приписывается низкой плотности кристалла сахара: ни один из гамма- или рентгеновских лучей, достаточно энергичных, чтобы проникнуть через экранирование криостата, не депонирует свою полную энергию в поглотителе для формирования фотопиков. Однако взаимодействия частиц внутри кристалла были успешно обнаружены и показали нормальные формы импульсов, указывая, что материал реагирует последовательным и измеримым образом. Это поведение предполагает, что сахар остаётся перспективным материалом, достойным дальнейшего исследования. Для будущих опытов установка будет улучшена для предоставления хорошо определённого калибровочного сигнала, а также улучшенной схемы смещения для сенсора NTD и новой системы сбора данных для снижения шума 50 Гц.

Детальный осмотр данных показывает значительное количество событий совпадения в детекторах сахара и света, пример которого показан на рисунке 5. Эти совпадения наблюдаются исключительно для импульсов с амплитудами, превышающими ∼0,5 В в основном детекторе, как показано на рисунке 6. Коэффициент корреляции для событий с амплитудами больше 0,5 В в сахаре и выше порога в LD составляет 0,64. Если удалить одну выбивающуюся точку при 0,57/0,048 В, он повышается до 0,8, что указывает на сильную корреляцию между двумя амплитудами. Было замечено, что значительное количество импульсов высокой амплитуды в сахаре совпадает с событиями в детекторе света, в сочетании с корреляцией между амплитудой в сахаре и детекторах света, и приводит к выводу, что сахар производит сцинтилляционный свет при более высоких энергиях.

V. Заключение

Природа тёмной материи остаётся одним из самых интригующих открытых вопросов в современной физике частиц. Хотя стандартный сценарий WIMP в значительной степени исключён текущими экспериментами, он продолжает мотивировать разработку нового поколения детекторов, чувствительных к более лёгким моделям WIMP, что является фокусом проекта SWEET. В этой работе мы исследуем потенциал органического материала, монокристаллического кристалла сахара (сахарозы), как криогенного детектора для поисков тёмной материи в диапазоне масс ниже GeV/c², который требует более лёгких целевых ядер для максимизации передачи энергии в процессах упругого рассеяния.

Чтобы оценить пользу использования сахара как целевого материала, был выращен монокристаллический кристалл сахарозы и оснащён NTD-термистором, а также оптически связан с детектором света SOS. Во время измерений были получены тепловые импульсы в детекторе сахара, а также значительное количество совпадений между тепловыми и световыми каналами, предполагая сцинтилляционный отклик, что актуально для отбраковки фона и идентификации событий в подобных криогенных детекторах.

Эти результаты демонстрируют, что сахар может работать как криогенный калориметр и может служить перспективным целевым материалом для прямого обнаружения тёмной материи. В будущем будут выращены более крупные кристаллы с использованием сахара более высокой чистоты для улучшения качества материала. Детектор будет обновлён путём замены сенсора NTD на TES для повышения чувствительности и снижения порога энергии. Также будет введён внутренний калибровочный источник для обеспечения точной реконструкции энергетического спектра и дальнейшей характеристики отклика детектора. В настоящее время проводится модернизация установки для роста кристаллов для поддержки этих разработок.

Проект SWEET открыл новый путь для разработки криогенных детекторов на основе органических кристаллов и подчёркивает потенциал материалов на основе сахара для зондирования пространства параметров низкомассовой тёмной материи.