Detección directa de Materia Oscura Fría: status del experimento

Detección directa de Materia Oscura Fría: status del experimento

Detección directa de Materia Oscura
Fría: status del experimento ANAIS
en Canfranc
S. Cebrián, J. Amaré, E. García, I. G.
Irastorza, D. González, A. Morales. J. Morales,
A. Ortiz de Solórzano, A. Peruzzi, J.
Puimedón, M. L. Sarsa, S. Scopel, J. A. Villar
Laboratorio de Física Nuclear y Altas Energías,
Facultad de Ciencias, Universidad de Zaragoza, 50009
Zaragoza
XXVII Reunión Bienal de la R. S. E. F.
Valencia, Septiembre de 1999
Composición del Universo
• Materia Luminosa: <1%
• Materia Oscura:
– Bariónica: nubes de H2, MACHOs
– No bariónica:
• caliente: neutrinos ligeros
• fría:
– no reliquia térmica: axiones
– reliquias térmicas: WIMPs
ANAIS: Introducción
Detección de WIMPs
• Indirecta =
• Directa = retrocesos
productos de
aniquilación: e+,γ,
ν,...: telescopios
submarinos de ν
nucleares inducidos en:
– semiconductores: Si,
Ge
– centelleadores: NaI,
Xe liq, CaF2
– det. Criogénicos
(híbridos): Ge, Si,
Al2O3, TeO2
– mica, TPC
ANAIS: Introducción
ANAIS (Annual Modulation with
NaIs)
• Propósito: detección directa de WIMPs utilizando
107 kg de NaI (blanco y detector) buscando como
señal identificadora del WIMP una variación anual
de su ritmo y energía.
• Interés: la colaboración DAMA con 97 kg de NaI
ha presentado al 99.6% C.L. un efecto de
modulación anual atribuible a un WIMP de unos 60
GeV y sección eficaz sobre protones 10-5 pb que
necesita ser confirmado.
• Localización:ANAIS se instalará en el Laboratorio
Subterráneo de Canfranc, a 2500 m de la entrada en
el antiguo túnel de tren del Somport, bajo 2450
w.m.e. de roca, operado por el Laboratorio de
Física Nuclear y Altas Energías de la Universidad
de Zaragoza.
ANAIS: Descripción
Montaje experimental
45 cm
65 cm
105 cm
120 cm
80 cm
Cristales NaI 10*10.7 kg
60 cm
Vetos
anti-muones
Cobre 5 mm
Plomo romano
10 cm
Plomo 20 cm
Bolsa PVC
Cadmio 2 mm
Polietileno
20-40 cm
Soporte
antivibratorio
ANAIS: Descripción
Los detectores
12.95 cm
13.8 cm
7.97 cm
14.99cm
16 cm
Fotomultiplicador
EMI9302B
1.27 cm
Ventana SiO2
7.62 cm
23.3 cm
Cristal NaI(Tl)
10.7 kg
20.32 cm
Reflectante
Carcasa
Acero inoxidable
0.5 mm
ANAIS: Descripción
Sistema electrónico de adquisición
SCOPE
Lecroy 9362
RS232
CFD CF400
AMP Lecroy 612A
HV Lecroy
HV4032A
GPIB
aten
NaI
PM
EMI9302B
aten
MALU Lecroy 4532
ADC DM
LAMP DM
Par.I/O
QDC2 ME Lecroy 2249W
QDC1 HE Lecroy 2249W
x 10
Gates QDC
G&DG
G&DG
Gate ADC
Trigger scope
ANAIS: Descripción
G&DG
CAMAC
Control de la estabilidad
• Necesidad:
– en la búsqueda de modulación anual: para descartar
variaciones sistemáticas causadas por otros efectos
– en la aplicación de discriminación por la forma del
pulso: la constante de tiempo depende de la
temperatura: -2-3 ns/ºC
• Medidas: periódicas y frecuentes de:
–
–
–
–
–
temperatura en los cristales y en el recinto interior
tensión de los fotomultiplicadores (ganancia)
temperatura de los instrumentos electrónicos
nivel de radon
flujo de nitrógeno
ANAIS: Descripción
Simulación por Montecarlo del
fondo radiactivo
•
Código: GEANT (v. 3.21) del CERN, librerías CERNLIB (97a
para Windows 95/NT)
•
Geometría:
– 10 detectores: cristal (NaI) + carcasa (Fe) + ventana de
cuarzo (SiO2) (fotomultiplicador y guía de luz no se
incluyen como medios absorbentes)
– cámara de aire
– blindaje de plomo (Pb)
•
Generación y transporte de partículas:
–
–
–
–
•
muestreo aleatorio de volúmenes, direcciones isótropas
energías de corte para γ y e- de 10 keV
cadenas en equilibrio secular
emisiones beta para contaminaciones internas y de 210Pb +
emisiones gamma de 232Th, 238U, 60Co, 40K y 210Pb. (No se
han incluido emisiones alfa, neutrones o muones)
Niveles de impurezas: según medidas con un detector de Ge
en Canfranc, estimaciones de un experimento previo y medidas
de otros grupos
ANAIS: Simulaciones
•
Resultados:
Material
Isótopo
Masa (kg)
Pb normal
Pb romano
Pb romano
Pb romano
Cobre
Cobre
Aire
Carcasa
Carcasa
Cristal
Cristal
Cristal
Pb210 b+g
Pb210 b+g
U238 g
Th232 g
U238 g
Th232 g
Rn222 g
Pb210 b+g
Co60 g
K40 b+g
U238 b+g
Th232 b+g
10759.8
2315.4
2315.4
2315.4
11.25
11.25
69.4 l
2.5*10
2.5*10
10.7*10
10.7*10
10.7*10
Contaminación
(mBq/kg)
30000
<20
<0.2
<0.3
<2
<0.5
0.025 mBq/l
4000
10
20
0.48
0.12
Situación 1: PM9265B + base Cu junto dentro del blindaje
Fotom./Base
Pb210 b+g
1*10
16000
Fotom. 9265 B
K40 g
1*10 u
690 mBq/u
Fotom. 9265 B
U238 g
1*10 u
76 mBq/u
Fotom. 9265 B
Th232 g
1*10 u
54 mBq/u
Base Cu
K40 g
1*10 u
300 mBq/u
Base Cu
U238 g
1*10 u
200 mBq/u
Base Cu
Th232 g
1*10 u
70 mBq/u
Situación 2: PM9302B + base teflón dentro del blindaje
Fotom. 9392 B
K40 g
1*10 u
200 mBq/u
238
Fotom. 9392 B
U g
1*10 u
29 mBq/u
Fotom. 9392 B
Th232 g
1*10 u
10 mBq/u
Base teflón
K40 g
1*10 u
<3 mBq/u
Base teflón
U238 g
1*10 u
<1 mBq/u
Base teflón
Th232 g
1*10 u
<1 mBq/u
Guía
Guía
Guía
Situación 3: guías de luz dentro del blindaje
K40 g
15
238
U g
15
Th232 g
15
ANAIS: Simulaciones
40
12
8
Ritmo 1-50 keV
antic. (d.r.u.)
0.0012
0.0006
0.0012
0.001
0.0003
0.00009
3.54
0.015
1.06
1.46
0.28
3.18
0.029
0.056
0.045
0.006
0.038
0.024
0.008
0.022
0.008
0.00006
0.00019
0.00034
0.0015
0.007
0.005
Espectro de fondo simulado
suc / (10 keV) kg día
100
10
1
sit. 1
0,1
sit. 2
sit. 3
0,01
0
50
100
150
200
250
300
energía (10 keV)
Región de baja energía del espectro de fondo simulado
2-4 suc/keVkgdía
sit. 1
sit. 2
sit. 3
suc / keV kg día
100
10
1
0
10
20
30
40
50
60
energía (kev)
ANAIS: Simulaciones
70
80
90
100
Discriminación de ruido por la forma
de los pulsos
•
Objetivo:encontrar un parámetro capaz de discriminar
eficientemente los pulsos de ruido y los de centelleo. Esta
discriminación permitiría una considerable mejora del umbral
•
Simulación de pulsos:
–
dos poblaciones de pulsos:
• sucesos de centelleo de baja energía: 2-4 y 10-12 keV
• sucesos de ruido en el fotomultiplicador,
– incluyendo la dispersión debida a:
• fluctuaciones estadísticas (Poisson) en la emisión de fotones
de centelleo y de electrones en el fotocátido y en los dinodos
• efectos instrumentales: pérdida de fotones en la guía de luz y
limitaciones en la digitalización de pulsos mediante un
osciloscopio
– a partir de la forma analítica, siendo:
• R y C los equivalentes en el circuito RC formado por el cristal
y el fotomultiplicador
• Q la carga recogida a la salida del fotomultiplicador
• y τs la constante de centelleo para NaI: aproximadamente, 230
ns
V (t ) =
QR
( e − t / τ s − e − t / RC )
RC − τ s
ANAIS: Simulaciones
Pulsos de centelleo
Pulsos de ruido
0
0
-10
-20
V (puntos)
V (puntos)
-20
-40
-60
-30
-40
energías de 2 a 10 keV
-80
-100
•
-50
0
100
200
300
400
tiempo (ns)
500
600
-60
0
100
200
300
400
tiempo (ns)
500
600
Parámetros:
– p1 = área (100-600 ns) / área (0-600 ns)
– p2 = área (0-50 ns) / área (0-100 ns)
– primer momento =Σ ai ti / Σ ti, siendo ai y ti la amplitud y el
tiempo del bin i-ésimo
– punto de inflexión = máximo de la primera derivada
ANAIS: Simulaciones
•
Distribuciones de los parámetros: para
–
–
–
ruido
centelleo 2-4 keV
centelleo 10-12 keV
Distribución de p2
2000
2000
1500
1500
nº de veces
2500
1000
500
0
1000
500
0
0.2
0.4
0.6
valor de p1
0.8
0
1
0
0.2
0.4
0.6
valor de p2
2000
1500
nº de veces
nº de veces
Distribución de p1
2500
1000
500
0
1
1
0.5
va lor de p2
0.5
0
0
va lor de p1
ANAIS: Simulaciones
0.8
1
Distribución del punto de inflexión
Distribución del primer momento
5000
4000
3500
4000
2500
nº de veces
nº de veces
3000
2000
1500
3000
2000
1000
1000
500
0
-100
•
0
100
200
300
primer momento (ns)
400
0
0
50
100
150
punto de inflexión (ns)
Resultados: definiendo como factor de rechazo
FR =
diferencia _ centros _ distribuciones
suma _ FWMH _ distribuciones
Parámetro
p1
p2
Primer momento
Punto de inflexión
Factor de rechazo
8
2.25
3
1.5
ANAIS: Simulaciones
Dependencia con E
No
No
Sí
No
200
Perspectivas
•
Mejoras: respecto a nuestro experimento con 3 cristales
– ubicación en el nuevo laboratorio, a mayor profundidad: de
675 a 2450 m.w.e.
– uso de plomo romano en la parte interna del blindaje
– nuevos fotomultiplicadores de ultrabajo fondo radiactivo
– nuevas bases de teflón para los fotomultiplicadores, que
pueden estar fuera del blindaje
•
Situación actual:
– pruebas para enfriar los fotomultiplicadores mediante
dispositivos Peltier
– pruebas de guías de luz
– .instalación inmedianta en Canfranc del montaje completo
con un detector
•
•
Umbral: 2 keV
Nivel de fondo: 2 suc / keV kg día a baja energía
ANAIS: Perspectivas
Exclusiones:
– para interacciones escalares (independientes del espín)
– para interacciones axiales (dependientes del espín)
101
100
exclusión directa
exclusión con PSD (90%)
-1
σn (pbarn)
10
10-2
10-3
10-4
10-5
10-6
1
10
100
1000
mW (GeV)
103
Explora la región
DAMA
exclusión directa
exclusión con PSD (90%)
102
σp (pbarn)
•
101
100
10-1
1
10
100
mw (GeV)
ANAIS: Perspectivas
1000
10000