Cryogenic characterisation of the FBK NUV-HD-cryo Silicon Photomultipliers for the DarkSide-20k dark matter experiment

Tief unter dem Gran Sasso Gebirge in Italien wird ein gewaltiges Experiment gebaut, um auf das leiseste Flüstern der flüchtigsten Bewohner des Universums zu lauschen: der dunklen Materie. Wissenschaftler glauben, dass diese unsichtbare Substanz den Großteil der Materie im Kosmos ausmacht, doch sie interagiert nur selten mit dem gewöhnlichen Zeug, das wir sehen und berühren können. Um einen Blick auf ein Teilchen der dunklen Materie zu erhaschen, nutzen Forscher einen Tank, der mit Tonnen von flüssigem Argon gefüllt ist – einer superkalten Flüssigkeit, die sowohl als Ziel als auch als Detektor dient. Wenn ein Teilchen der dunklen Materie auf ein Argonatom trifft, erzeugt es einen winzigen Lichtblitz. Die Herausforderung besteht darin, dass diese Blitze unglaublich schwach sind, oft aus nur wenigen Photonen bestehen, und in einem Meer aus Hintergrundrauschen auftreten. Um sie zu sehen, benötigt das Experiment Augen, die nicht nur empfindlich genug sind, um ein einzelnes Photon einzufangen, sondern auch ruhig genug, um in der eisigen Dunkelheit keine eigenen falschen Signale zu erzeugen.

Das DarkSide-20k-Experiment, das sich derzeit im Bau befindet, stützt sich auf einen neuen Typ von Lichtsensor namens Silizium-Photomultiplier. Im Gegensatz zu den traditionellen Vakuumröhren, die in älteren Experimenten verwendet wurden, sind diese Sensoren Festkörperbauteile aus Silizium, ähnlich den Chips in einem Computer, aber darauf ausgelegt, Licht zu detektieren. Sie wurden aufgrund ihrer Fähigkeit gewählt, bei extrem niedrigen Temperaturen zu arbeiten, und aufgrund ihres Mangels an natürlicher Radioaktivität, was entscheidend ist, da jede Hintergrundstrahlung vom Sensor selbst ein Signal der dunklen Materie imitieren könnte. Diese Sensoren mussten jedoch für diese Aufgabe perfektioniert werden. Frühe Versionen hatten in der Kälte Schwierigkeiten, erzeugten zu viel internes Rauschen und kreierten Fehlsignale, die das schwache Flüstern der dunklen Materie übertönen würden. Die Forscher mussten beweisen, dass die neueste Generation dieser Sensoren, die von der Fondazione Bruno Kessler entwickelt wurde, in der harten Umgebung von flüssigem Argon einwandfrei funktionieren kann.

Um sicherzustellen, dass die Sensoren bereit für den Einsatz tief unter der Erde waren, führte ein Team von Wissenschaftlern eine Reihe strenger Tests in zwei verschiedenen Labors durch, eines in Kanada und eines in Italien. Sie kühlten die Sensoren auf 77 Kelvin ab, eine Temperatur, die nur 77 Grad über dem absoluten Nullpunkt liegt, was der Temperatur von flüssigem Stickstoff entspricht. In diesem gefrorenen Zustand maßen sie, wie sich die Sensoren in völliger Dunkelheit verhielten. Sie zählten die zufälligen elektronischen Impulse, die auch ohne Licht auftreten, bekannt als Dunkelrauschen, und stellten fest, dass die neuen Sensoren bemerkenswert ruhig waren. Die Rate dieser Fehlsignale war niedrig genug, damit das Experiment ein reales Ereignis von Hintergrundrauschen unterscheiden konnte. Sie untersuchten auch, wie die Sensoren reagierten, wenn ein einzelnes Photon auf sie traf, indem sie die erzeugte elektrische Ladung maßen. Dies ermöglichte es ihnen, die Verstärkung (Gain) des Sensors zu berechnen – also wie stark er ein winziges Signal verstärkt – und bestätigte, dass diese Verstärkung mit steigender Spannung vorhersehbar zunimmt.

Ein kritischer Teil der Tests bestand darin, zu verstehen, wie die Sensoren sich versehentlich gegenseitig auslösen könnten. Wenn ein Photon auf einen Sensor trifft und ein Signal erzeugt, kann es manchmal ein sekundäres Photon freisetzen, das zu einem benachbarten Sensor fliegt und dort aufschlägt, was eine Kettenreaktion von Fehlsignalen verursacht. Die Forscher maßen dieses „Crosstalk“ (Übersprechen) und fanden heraus, dass dies zwar vorkommt, die neuen Sensoren jedoch so konstruiert wurden, dass sie es signifikant unterdrücken. Sie untersuchten auch das „Afterpulsing“, ein Phänomen, bei dem ein Sensor kurz nach dem ursprünglichen Treffer erneut feuert, bedingt durch eingefangene elektrische Ladungen. Das neue Design reduzierte diesen Effekt so stark, dass er für die Anforderungen des Experiments nun praktisch vernachlässigbar ist. Diese Ergebnisse bestätigten, dass die Sensoren kein verwirrendes Chaos aus Fehlalarmen im endgültigen Detektor verursachen würden.

Das Team wandte sich dann der Frage zu, wie gut die Sensoren tatsächlich das Licht sehen können, das sie zu detektieren bestimmt sind. Im DarkSide-20k-Experiment emittiert das flüssige Argon Licht im ultravioletten Bereich, welches für die Sensoren unsichtbar ist. Um dieses Licht sichtbar zu machen, wird der Tank mit einer speziellen Chemikalie beschichtet, die das ultraviolette Licht absorbiert und es als blaues Licht wieder aussendet. Die Forscher maßen die Effizienz der Sensoren bei der Detektion dieses blauen Lichts über einen breiten Farbbereich hinweg. Sie fanden heraus, dass die Sensoren außergewöhnlich gut darin sind, diese Photonen einzufangen, mit einer Effizienz, die bei fast 50 Prozent liegt. Das bedeutet, dass für zwei Photonen der richtigen Farbe, die den Sensor treffen, eines erfolgreich detektiert und aufgezeichnet wird. Sie kartierten auch, wie sich diese Effizienz mit unterschiedlichen Wellenlängen verändert, und bestätigten, dass die Sensoren perfekt auf das spezifische blaue Licht der Beschichtung abgestimmt sind.

Schließlich untersuchten die Wissenschaftler die sekundären Photonen, die die Sensoren selbst während einer Lawine elektrischer Ladung emittieren. Diese streuenden Photonen könnten durch das flüssige Argon reisen und andere Sensoren auslösen, was eine Form von externem Crosstalk erzeugt, die die Computermodelle des Experiments berücksichtigen müssen. Indem sie einen Laser auf die Sensoren richteten und das schwache Licht, das sie emittierten, mit einer empfindlichen Kamera erfassten, maß das Team das Spektrum und die Intensität dieses sekundären Lichts. Sie nutzten diese Messungen, um vorherzusagen, wie viele dieser streuenden Photonen den Sensor verlassen und durch das flüssige Argon reisen würden, im endgültigen Detektor. Diese Daten sind entscheidend für den Aufbau genauer Computersimulationen des Experiments, die es Physikern ermöglichen, zwischen echten Signalen der dunklen Materie und dem komplexen Geflecht von Interaktionen der Sensoren selbst zu unterscheiden.

Die umfassenden Tests, die in dieser Arbeit beschrieben werden, bestätigen, dass die neuen Siliziumsensoren für die Herausforderung bereit sind. Sie kombinieren hohe Empfindlichkeit mit geringem Rauschen und minimaler Interferenz, was sie ideal für das DarkSide-20k-Experiment macht. Durch den Nachweis, dass diese Geräte zuverlässig in der extremen Kälte arbeiten und die schwachen Lichtblitze potenzieller Wechselwirkungen der dunklen Materie präzise detektieren können, haben die Forscher ein solides Fundament für eine der empfindlichsten Suchen nach dunkler Materie gelegt, die jemals versucht wurde. Die Arbeit stellt sicher, dass der Detektor, sobald er voll einsatzbereit ist, mit den klarsten möglichen Ohren lauscht, bereit, den tiefsten Geheimnissen des Universums zu lauschen.