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

Diep in de stille hoeken van het universum wordt gedacht dat onzichtbare deeltjes, bekend als donkere materie, elke seconde door alles heen bewegen, inclus kind van ons eigen lichaam. Decennialang hebben wetenschappers massieve detectoren gebouwd om deze ongrijpbare deeltjes te vangen, maar ze hebben vooral gezocht naar zware deeltjes, met een massa die vergelijkbaar is met die van atomen. Nu richt een nieuwe golf van experimenten zich op de mogelijkheid dat donkere materie ongelooflijk licht zou kunnen zijn, met een gewicht van minder dan een miljardste van een miljardste van een gram. Het probleem is dat als deze deeltjes zo licht zijn, ze gewone atomen met een zo zachte tik zouden raken dat de resulterende energie minuscuul is—veel te klein voor huidige machines om duidelijk te zien. Om te bewijzen dat deze experimenten werken, moeten wetenschappers ze testen met iets dat ze kunnen controleren: een energiebron die deze kleine tikken nabootst, maar die sterk genoeg is om gemeten te worden.

Een team van onderzoekers heeft een nieuwe machine ontworpen om deze specifieke, zachte energie te creëren. Hun doel is om een stroom neutronen te produceren—deeltjes die zich in het hart van atomen bevinden—die een doelwit raken met precies de juiste kracht om een terugslag, of een achterwaartse trap, van slechts enkele duizenden elektronvolt te veroorzaken. Dit is een zeer specifiek energieniveau, ongeveer tweeduizend keer zwakker dan de energie van een typische kernreactie, maar sterk genoeg om gezien te worden door de meest gevoelige detectoren die vandaag de dag gebouwd worden. Het team heeft de uiteindelijke machine nog niet gebouwd; in plaats daarvan gebruikten ze krachtige computersimulaties om een systeem te ontwerpen dat een standaard, hoogenergetische neutronengenerator kan omzetten in een precieze, laagenergetische bundel. Hun werk toont aan dat het door deze deeltjes zorgvuldig af te remmen en te filteren, mogelijk is om een schone, gepulseerde neutronenbundel te creëren die de instrumenten die zoeken naar de lichtste vormen van donkere materie kan kalibreren.

De reis begint met een compacte machine die uitbarstingen van hoogsnelle neutronen afvuurt. Deze neutronen beginnen heel snel te bewegen en dragen veel te veel energie met zich mee voor de delicate detectoren. Om ze af te remmen, hebben de onderzoekers een reeks lagen ontworpen, als een reeks muren waar de neutronen doorheen moeten bewegen. De eerste laag is gemaakt van lood. Hoewel lood meestal bekend staat om het stoppen van straling, dient het hier een ander doel: het fungeert als een converter. Wanneer de snelle neutronen het lood raken, veroorzaken ze een reactie die het totale aantal beschikbare neutronen vergroot terwijl hun snelheid daalt.

Vervolgens bewegen de neutronen zich naar een mengsel van aluminium en een verbinding genaamd aluminiumfluoride. Dit materiaal is speciaal omdat de atomen erin zo zijn gerangschikt dat het zeer goed is in het afremmen van neutronen die nog gematigd snel bewegen. De onderzoekers mengden deze poeders en persten ze tot een vaste blok om ervoor te zorgen dat de neutronen erin zouden stuiteren en bij elke botsing energie zouden verliezen. Hierna passeren de neutronen een laag titanium. Dit metaal fungeert als een laatste rem, die de neutronen vangt die nog steeds een beetje te energetisch zijn en ze afremt totdat ze het doelbereik van enkele duizenden elektronvolt bereiken.

Op dit punt bevat de bundel neutronen van vele verschillende snelheden, maar de wetenschappers willen alleen die neutronen die met een zeer specifiek tempo bewegen. Om deze te isoleren, gebruiken ze een filter gemaakt van scandium, een metaal dat een unieke eigenschap heeft op dit specifieke energieniveau. Op exact tweeduizend elektronvolt wordt scandium bijna transparant voor neutronen, waardoor ze er gemakkelijk doorheen kunnen gaan. Echter, neutronen die zelfs maar iets sneller of langzamer bewegen, botsen tegen de scandiumatomen en stuiteren weg of worden geabsorbeerd. Dit werkt als een zeef, die alleen de neutronen doorlaat met de exacte energie die nodig is voor het experiment. Het resultaat is een bundel die bijna volledig bestaat uit neutronen met de exacte energie die vereist is om de detectoren voor donkere materie te testen.

Het ontwerp moest ook rekening houden met de "ruis" die gepaard gaat met een dergelijke krachtige bron. De oorspronkelijke machine produceert niet alleen neutronen, maar ook gammastraling, wat hoogenergetische lichtdeeltjes zijn die de detectoren kunnen verwarren. Om dit op te lossen, omringde het team de hele assemblage met dikke wanden van beton en plastic. Sommige van het plastic werd gemengd met boor, een materiaal dat uitstekend is in het opvangen van rondzwervende neutronen voordat ze de gevoelige apparatuur bereiken. Ze voegden ook lagen lood toe om de gammastraling te blokkeren. Door hun simulaties ontdekten ze dat door deze materialen zorgvuldig te arrangeren en zelfs het pad van de bundel lichtjes te kantelen, ze de achtergrondruis konden verminderen tot een niveau waarop het ware signaal duidelijk naar voren zou komen.

De onderzoekers testten hun ontwerp door het hele proces te simuleren, waarbij ze miljarden neutronen volgden terwijl ze door het lood, het aluminiummengsel, het titanium en het scandiumfilter bewogen. Ze ontdekten dat het systeem een bundel kon produceren met de juiste zuiverheid, wat betekent dat het overgrote deel van de neutronen die de detector bereiken, de juiste energie heeft. Ze simuleerden ook hoe de detectoren zouden reageren, wat aantoonde dat het systeem erin slaagde de richting en energie van de hits te markeren. Dit is cruciaal omdat het wetenschappers in staat stelt om onderscheid te maken tussen een echte kandidaat voor donkere materie en een willekeurige achtergrondgebeurtenis.

Vooruitkijkend suggereren het team dat deze opstelling ook aangepast kan worden om neutronen met nog lagere energieën te produceren, tot slechts enkele elektronvolt. In plaats van te vertrouwen op een filter om een specifieke snelheid te selecteren, zouden ze de tijd kunnen gebruiken die de neutronen nodig hebben om een bepaalde afstand af te leggen om hun energie te bepalen. Omdat langzamere neutronen er langer over doen om aan te komen, zou het meten van de tijd van vlucht (time of flight) wetenschappers in staat stellen om de neutronen op snelheid te sorteren nadat ze zijn geproduceerd. Dit zou de deur openen naar het kalibreren van detectoren voor nog lichtere kandidaten voor donkere materie.

Het werk dat hier beschreven wordt, is een cruciale stap in de voorbereiding op toekomstige experimenten. Hoewel de machine zelf nog niet gebouwd is, bieden de simulaties een duidelijk stappenplan voor hoe men deze kan construeren. Door de problemen op te lossen van hoe men neutronen afremt, ze filtert en de detectoren afschermt van achtergrondruis, hebben de onderzoekers aangetoond dat het mogelijk is om een betrouwbare bron van laagenergetische kernreacties te creëren. Deze capaciteit zal essentieel zijn voor de volgende generatie zoektochten naar donkere materie, om ervoor te zorgen dat wanneer deze detectoren eindelijk een signaal waarnemen, wetenschappers met zekerheid weten dat het geen achtergrondgebeurtenis is.