Design Studies Of A Pulsed Quasimonoenergetic 2-keV Neutron Source For Calibration Of Low Threshold Dark Matter Detectors

Tief in den stillen Winkeln des Universums vermuten Forscher, dass unsichtbare Teilchen, bekannt als Dunkle Materie, jede Sekunde durch alles hindurchgleiten, auch durch unseren Körper. Seit Jahrzehnten bauen Wissenschaftler massive Detektoren, um diese schwer fassbaren Teilchen einzufangen, doch sie haben hauptsächlich nach schweren Teilchen gesucht, die eine ähnliche Masse wie Atome besitzen. Nun richtet eine neue Welle von Experimenten ihr Augenmerk auf die Möglichkeit, dass Dunkle Materie unglaublich leicht sein könnte, mit einem Gewicht von weniger als einer Milliardstel einer Milliardstel Gramm. Das Problem ist: Wenn diese Teilchen so leicht sind, würden sie auf gewöhnliche Atome mit einem so sanften Tippen treffen, dass die resultierende Energie winzig ist – viel zu klein, als dass heutige Maschinen sie deutlich erkennen könnten. Um zu beweisen, dass diese Experimente funktionieren, müssen Wissenschaftler sie mit etwas testen, das sie kontrollieren können: einer Energiequelle, die diese winzigen Stöße nachahmt, aber stark genug ist, um gemessen werden zu können.

Ein Team von Forschern hat eine neue Maschine entworfen, um genau diese sanfte Energie zu erzeugen. Ihr Ziel ist es, einen Strom von Neutronen – Teilchen, die sich im Kern von Atomen befinden – zu erzeugen, die mit genau der richtigen Kraft auf ein Target treffen, um einen Rückstoß oder einen Rückstoß nach hinten von nur wenigen tausend Elektronenvolt zu erzeugen. Dies ist ein sehr spezifisches Energieniveau, etwa zweitausendmal schwächer als die Energie einer typischen Kernreaktion, aber stark genug, um von den empfindlichsten heute gebauten Detektoren gesehen zu werden. Das Team hat die endgültige Maschine noch nicht gebaut; stattdessen nutzten sie leistungsstarke Computersimulationen, um ein System zu entwerfen, das einen Standard-Hochenergie-Neutronengenerator in einen präzisen Niedrigenergie-Strahl verwandeln kann. Ihre Arbeit zeigt, dass es durch das sorgfältige Verlangsamen und Filtern dieser Teilchen möglich ist, einen sauberen, gepulsten Neutronenstrahl zu erzeugen, der die Instrumente zur Suche nach den leichtesten Formen der Dunklen Materie kalibrieren kann.

Die Reise beginnt mit einer kompakten Maschine, die Neutronen-Bursts mit hoher Geschwindigkeit abfeuert. Diese Neutronen bewegen sich anfangs sehr schnell und tragen viel zu viel Energie mit sich, was für die empfindlichen Detektoren ungeeignet ist. Um sie zu verlangsamen, entwarfen die Forscher eine Serie von Schichten, vergleichbar mit einer Reihe von Wänden, die die Neutronen passieren müssen. Die erste Schicht besteht aus Blei. Während Blei normalerweise dafür bekannt ist, Strahlung zu stoppen, dient es hier einem anderen Zweck: Es fungiert als Konverter. Wenn die schnellen Neutronen auf das Blei treffen, lösen sie eine Reaktion aus, welche die Gesamtzahl der verfügbaren Neutronen erhöht, während sie gleichzeitig deren Geschwindigkeit senkt.

Als Nächstes bewegen sich die Neutronen in eine Mischung aus Aluminium und einer Verbindung namens Aluminiumfluorid. Dieses Material ist besonders, weil seine Atome so angeordnet sind, dass es sehr gut darin ist, Neutronen zu verlangsamen, die sich noch moderat schnell bewegen. Die Forscher mischten diese Pulver und pressten sie zu einem festen Block, um sicherzustellen, dass die Neutronen darin hin und her springen und bei jeder Kollision Energie verlieren. Im Anschluss passieren die Neutronen eine Schicht aus Titan. Dieses Metall fungiert als letzte Bremse, die jene Neutronen auffängt, die noch etwas zu energiereich sind, und sie abbremst, bis sie den Zielbereich von wenigen tausend Elektronenvolt erreichen.

An diesem Punkt enthält der Strahl Neutronen mit vielen verschiedenen Geschwindigkeiten, aber die Wissenschaftler benötigen nur jene, die sich in einem ganz bestimmten Tempo bewegen. Um sie zu isolieren, verwenden sie einen Filter aus Scandium, einem Metall, das auf genau diesem Energieniveau eine einzigartige Eigenschaft besitzt. Bei exakt zweitausend Elektronenvolt wird Scandium fast transparent für Neutronen, was es ihnen ermöglicht, leicht hindurchzugehen. Neutronen, die jedoch auch nur geringfügig schneller oder langsamer sind, prallen jedoch gegen die Scandiumatome oder werden absorbiert. Dies wirkt wie ein Sieb, das nur die Neutronen mit der präzisen Energie durchlässt, die für das Experiment benötigt wird. Das Ergebnis ist ein Strahl, der fast vollständig aus Neutronen mit genau der erforderlichen Energie besteht, um die Detektoren der Dunklen Materie zu testen.

Das Design musste auch das „Rauschen“ berücksichtigen, das mit einer so starken Quelle einhergeht. Die ursprüngliche Maschine erzeugt nicht nur Neutronen, sondern auch Gammastrahlen, also hochenergetische Lichtteilchen, die die Detektoren verwirren können. Um dies zu lösen, umgab das Team die gesamte Anordnung mit dicken Wänden aus Beton und Kunststoff. Ein Teil des Kunststoffs war mit Bor versetzt, einem Material, das hervorragend darin ist, herumstreuende Neutronen abzufangen, bevor sie die empfindliche Ausrüstung erreichen. Sie fügten zudem Schichten aus Blei hinzu, um die Gammastrahlen zu blockieren. Durch ihre Simulationen fanden sie heraus, dass sie durch die sorgfältige Anordnung dieser Materialien und sogar durch eine leichte Winkelung des Strahlwegs das Hintergrundrauschen auf ein Niveau senken konnten, auf dem das eigentliche Signal deutlich hervorstechen würde.

Die Forscher testeten ihr Design, indem sie den gesamten Prozess simulierten und dabei Milliarden von Neutronen verfolgten, während sie sich durch das Blei, die Aluminiummischung, das Titan und den Scandiumfilter bewegten. Sie fanden heraus, dass das System einen Strahl mit der richtigen Reinheit erzeugen kann, was bedeutet, dass die überwiegende Mehrheit der den Detektor erreichenden Neutronen die korrekte Energie besitzt. Sie simulierten auch, wie die Detektoren reagieren würden, und zeigten, dass das System erfolgreich in der Lage ist, die Richtung und Energie der Einschläge zu erfassen. Dies ist entscheidend, da es den Wissenschaftlern ermöglicht, zwischen einem echten Kandidaten für Dunkle Materie und einem zufälligen Hintergrundereignis zu unterscheiden.

Mit Blick auf die Zukunft schlägt das Team vor, dass dasselbe Setup angepasst werden könnte, um Neutronen mit noch niedrigeren Energien zu erzeugen, bis hinunter zu nur wenigen Elektronenvolt. Anstatt sich auf einen Filter zu verlassen, um eine bestimmte Geschwindigkeit auszuwählen, könnten sie die Zeit nutzen, die die Neutronen benötigen, um eine festgelegte Distanz zurückzulegen, um ihre Energie zu bestimmen. Da langsamere Neutronen länger brauchen, um anzukommen, würde die Messung der Flugzeit es den Wissenschaftlern ermöglichen, die Neutronen nach ihrer Geschwindigkeit zu sortieren, nachdem sie erzeugt wurden. Dies würde die Tür zu der Kalibrierung von Detektoren für noch leichtere Kandidaten der Dunklen Materie öffnen.

Die hier beschriebene Arbeit ist ein entscheidender Schritt in der Vorbereitung auf zukünftige Experimente. Obwohl die Maschine selbst noch nicht gebaut wurde, liefern die Simulationen einen klaren Fahrplan für deren Konstruktion. Indem sie die Probleme lösten, wie man Neutronen verlangsamt, sie filtert und die Detektoren vor Hintergrundrauschen abschirmt, haben die Forscher gezeigt, dass es möglich ist, eine zuverlässige Quelle für niederenergetische Kernrückstöße zu schaffen. Diese Fähigkeit wird für die nächste Generation der Suche nach Dunkler Materie unerlässlich sein, um sicherzustellen, dass Wissenschaftler, wenn diese Detektoren schließlich ein Signal sehen, mit Gewissheit wissen, dass es sich nicht um ein Hintergrundereignis handelt.