Fichero - CIEMAT Particle Physics

BÚSQUEDA DE AXIONES SOLARES CON
DETECTORES CRISTALINOS:
Experimento COSME
en el Laboratorio Subterráneo de Canfranc
Igor G. Irastorza
MOZA* / COSME Collaboration
Universidad de Zaragoza
V Jornadas de Física de Altas Energías, Valencia, Septiembre 1999
* MOZA = Materia Oscura en ZAragoza
Búsqueda de axiones solares con detectores cristalinos: Experimento COSME en el Laboratorio Subterráneo de Canfranc
4 Recently proposed method* for axion searches with
crystal detectors
4 The method uses Primakoff axion-to-photon
conversion and Bragg diffraction inside the crystal
4 Simple and low cost technique
4 Calculation of the expected sensitivities and prospects
for several materials
4 Application of this technique to the COSME detector
running at Canfranc Underground Laboratory
*PASCHOS & ZIOUTAS, PLB 323 (1994) 367
CRESWICK et al., PLB 427 (1998) 235
Igor G. Irastorza, Zaragoza University
V Jornadas de Física de AE, Valencia, septiembre 1999
Búsqueda de axiones solares con detectores cristalinos: Experimento COSME en el Laboratorio Subterráneo de Canfranc
AXION: Nambu-Goldstone boson of the Peccei-Quinn
symmetry introduced to explain CP conservation in QCD
Pseudoscalar neutral particle
Phenomenology driven by the PQ breaking scale fa:
ma = 0.62 eV (107 GeV/ fa)
SOLAR AXIONS
to be produced in the
interior of the Sun by
photon-axion
Primakoff conversion.
cm- 2 sec- 1 k eV- 1
4 Axions are supposed
8 × 1014
Solar axion
flux on Earth
Igor G. Irastorza, Zaragoza University
6 × 1014
4 × 1014
2 × 1014
0
0
2
4
HL
6
8
10
E keV
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Búsqueda de axiones solares con detectores cristalinos: Experimento COSME en el Laboratorio Subterráneo de Canfranc
Axion detection inside a crystal
4 The Primakoff conversion in a periodic lattice is a coherent
process. Analogous to Bragg scattering of X-rays.
Axion coming from the Sun
Photon detection
4 Condition for Bragg
scattering:
qaxion ∼ d-1lattice
Axion to photon conversion
in presence of electromagnetic field
Igor G. Irastorza, Zaragoza University
Outgoing photon with
same energy that the axion
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Búsqueda de axiones solares con detectores cristalinos: Experimento COSME en el Laboratorio Subterráneo de Canfranc
Typical axion-photon conversion rates
4 < E < 4.5 keV
Ge
80
60
40
Al2O3
20
0
0.4
0.6
time (days)
0.8
0
TeO2
50
40
NaI
30
20
10
0
1
0
1
5 < E < 7 keV
60
counts/kg/day
0.2
counts/kg/day
100
0
4 < E < 5 keV
2
0.2
0.4
0.6
time (days)
0.8
1
5 < E < 7 keV
140
counts/kg/day
counts/kg/day
120
120
100
80
60
40
20
0
0
0.2
0.4
0.6
time (days)
Igor G. Irastorza, Zaragoza University
0.8
1
0
0.2
0.4
0.6
time (days)
0.8
1
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Búsqueda de axiones solares con detectores cristalinos: Experimento COSME en el Laboratorio Subterráneo de Canfranc
COSME EXPERIMENT
4 COSME is a 0.234 kg Ge ionisation
detector running at Canfranc
Underground Laboratory in a
ultralow background environment:
Threshold:
2.5 keV
low energy (3-10 keV)
background:
0.7 c/keV/kg/day
4 At present COSME has 311
Counts/keV/kg/day
100
10
1
0.1
0
5
10
15
Energy (keV)
days of data taking in these
experimental conditions
4 We have analysed the data looking for resonant Primakoff axionphoton conversion:
-9
-1
-9 GeV
-1
ggaγγ
<
2.8
×
10
<
2.8
×
10
GeV
γγ
aγγ
γγ
Equivalent to a background reduction of 2 orders of magnitude
Igor G. Irastorza, Zaragoza University
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Búsqueda de axiones solares con detectores cristalinos: Experimento COSME en el Laboratorio Subterráneo de Canfranc
PROSPECTS
g aγγ
depends on the crystal, as
well as on the threshold
and resolution.
Experiment &
material
k
1
8
 b 
−9
-1
< k
×
10
GeV

 MT 
T in years, M in kg,
b in cpd/kg/keV
M
B
Eth
(kg)
(cpd/kg/keV)
(keV)
FWHM gaγγ (2 years)
(keV)
(GeV-1)
SOLAX
Ge
2.5
1
3
4
1
2.7×
×10-9
COSME
Ge
2.3
0.234
0.7
3
0.4
2.4×
×10-9
DAMA
NaI
2.7
87
1
2
2
1.4×
×10-9
CUORICINO
TeO2
3
42
0.1
5
2
1.3×
×10-9
CUORE
TeO2
2.8
765
1×
×10-2
3
2
6.×
×10-10
ANAIS
NaI
2.8
107
2
4
2
1.6×
×10-9
?
Pb
2.1
1000
1×
×10-4
4
1
2.5×
×10-10
Igor G. Irastorza, Zaragoza University
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Búsqueda de axiones solares con detectores cristalinos: Experimento COSME en el Laboratorio Subterráneo de Canfranc
Comparison with other limits
Tokyo Helioscope
10- 6
SOLAX
SUN LIFE
-1
gaγγ
γγ (GeV )
10- 8
COSME
Helioseismology
-
10
10
CRYSTALS
10- 12
ls
de
o
nm
o
i
Ax
10- 14
Globular Clusters
SN1987A
10- 16
10- 7
10- 5
10 - 3
10- 1
101
Axion mass (eV)
Overclosure
Haloscopes
Igor G. Irastorza, Zaragoza University
Axion burst in
Cerenkov detectors
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Búsqueda de axiones solares con detectores cristalinos: Experimento COSME en el Laboratorio Subterráneo de Canfranc
CONCLUSIONES
4 Método recientemente propuesto para detectar axiones solares con detectores
cristalinos. Está basado en la conversión Primakoff axión-fotón y difracción
Bragg dentro del cristal.
4 El detector de germanio COSME ha estado tomando datos desde febrero’98 en
el Laboratorio Subterráneo de Canfranc. Hemos analizado los datos en
búsqueda de la conversión Primakoff resonante y se ha alcanzado un límite
competitivo para el acoplo del axión con el fotón.
4 Este método es sensible a un rango de masas del axión más amplio que otros
experimentos de búsqueda de axiones.
4 Cálculo de las sensibilidades de detección esperadas para otros materiales
(NaI, TeO2, Al2O3). Se esperan pequeñas mejoras con respecto al germanio si se
acumula gran estadística y se alcanzan buen umbral y resolución.
4 Sin embargo, el límite alcanzable por esta técnica está todavía por debajo de
otros límites de carácter astrofísico (cúmulos globulares).
Igor G. Irastorza, Zaragoza University
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