Characterization of spurious-electron signals in the double-phase argon TPC of the DarkSide-50 experiment

De zoektocht naar donkere materie, de onzichtbare substantie die het grootste deel van de massa van het universum vormt, is een van de meest ambitieuze quests in de moderne natuurkunde. Wetenschappers geloven dat als ze erin slagen een enkel deeltje donkere materie te vangen dat tegen een atoom botst, ze de geheimen van het kosmos kunnen ontrafelen. Om dit te doen, bouwen onderzoekers enorme, uiterst gevoelige detectoren diep onder de grond, afgeschermd van kosmische straling en andere achtergrondruis. Deze detectoren zijn vaak gevuld met edelgassen in vloeibare vorm, zoals argon of xenon, die op temperaturen worden gehouden die kouder zijn dan de ruimte buiten. Wanneer een deeltje een atoom in de vloeistof raakt, creëert dit een klein flitsje licht en slaat het elektronen los. De detector vangt deze signalen op om de gebeurtenis te reconstrueren. Het onderzoek is echter ongelooflijk moeilijk omdat de signalen van donkere materie naar verwachting zwak zullen zijn, vaak slechts enkele elektronen. Om deze te vinden, moeten wetenschappers in staat zijn om een echt klapje van donkere materie te onderscheiden van elke andere bron van ruis die het zou kunnen nabootsen. Als de detector het verschil niet kan zien, gaat het zwakke signaal verloren in de statische ruis.

In het DarkSide-50 experiment, gelegen diep in een berg in Italië, besteedde een team van natuurkundigen jaren aan het bestuderen van een specifiek type ruis dat hen verbaasde: "spurious electrons" (valse elektronen). Dit zijn rondvliegende elektronen die verschijnen in de detector zonder een duidelijke oorzaak, zoals een radioactief verval of een botsing met donkere materie. Ze verschijnen als kleine signalen die lijken op de zwakst mogelijke hits die een deeltje donkere materie zou kunnen maken. Jarenlang waren deze gebeurtenissen een mysterie, en hun aanwezigheid dwong wetenschappers om de laagste energieniveaus van hun gegevens te negeren, waardoor ze effectief blind waren voor de lichtste en meest ongrijpbare deeltjes donkere materie. De onderzoekers wilden precies weten waar deze elektronen vandaan kwamen en hoe ze ze konden stoppen. Door duizenden uren aan gegevens van hun vloeibare argondetector te analyseren, ontdekten ze dat deze ongewenste signalen geen willekeurige glitches waren, maar eerder vertraagde vrijgaven van elektronen die gevangen zaten door onzichtbare onzuiverheden in de vloeistof, en in sommige gevallen werden veroorzaakt door het eigen interne licht van de detector.

Het experiment vond plaats in een cilindrische tank gevuld met 46 kilogram ondergronds argon, een zeldzame vorm van het gas die is ontdaan van een natuurlijk voorkomend radioactief isotoop om de detector schoner te maken. De tank wordt omgeven door een wand van reflecterend plastic en is bekleed met speciale sensoren die de zwakste lichtflitsen kunnen detecteren. Wanneer een gebeurtenis plaatsvindt, produceert het vloeibare argon een directe lichtflits, gevolgd door een vertraagd signaal dat wordt gecreëerd door elektronen die omhoog drijven door de vloeistof en in een dunne laag gas, waar ze een tweede, helderdere flits produceren. Het team concentreerde zich op de kleinste signalen, die waarbij minder dan vier elektronen betrokken zijn, wat het moeilijkst te scheiden is van de achtergrondruis. Ze ontdekten dat een aanzienlijk deel van deze gebeurtenissen, variërend van 30 tot 70 procent afhankelijk van de tijd, niet willekeurig was, maar gekoppeld was aan eerdere gebeurtenissen in de detector.

De onderzoekers ontdekten dat deze valse elektronen vaak met een vertraging werden vrijgegeven na een grotere gebeurtenis. Ze observeerden twee hoofdpatronen van vertraging: een snellere vrijgave ongeveer 5 milliseconden na de initiële gebeurtenis, en een tragere vrijgave die ongeveer 40 tot 80 milliseconden duurt. In sommige gevallen, wanneer het systeem dat het argon gas reinigt tijdelijk werd uitgeschakeld voor onderhoud, verscheen een derde type vertraging van ongeveer 16 milliseconden. Dit tijdstip was cruciaal omdat het suggereerde dat de elektronen niet zomaar uit het niets verschenen, maar dat ze werden gevangen door onzuiverheden in de vloeistof en later werden vrijgegeven. De studie toonde aan dat de snelheid van deze gebeurtenissen direct verbonden was met hoe schoon de vloeistof was. Wanneer het zuiveringssysteem werkte, daalde de snelheid van deze vertraagde elektronen. Wanneer het systeem werd gepasseerd, schoot de snelheid dramatisch omhoog, wat bevestigde dat chemische onzuiverheden de boosdoener waren.

Om de aard van deze onzuiverheden te begrijpen, keken het team naar hoe de elektronen zich gedroegen. Ze ontdekten dat de waarschijnlijkheid dat een elektron gevangen wordt en later wordt vrijgegeven, toenam als de oorspronkelijke gebeurtenis dieper in de vloeistof plaatsvond, wat betekende dat het elektron een langere afstand moest afleggen. Dit bevestigde dat de elektronen door de vloeistof dreven en ergens onderweg werden gevangen. De onderzoekers merkten ook op dat het aantal elektronen dat in een enkele valse gebeurtenis werd vrijgegeven meestal klein was, vaak slechts één of twee, maar soms meer. Ze vonden dat de waarschijnlijkheid om meerdere elektronen tegelijk vrij te geven consistent was met een specifiek mechanisme: het licht van de initiële gebeurtenis raakte een metalen rooster binnenin de detector en sloeg secundaire elektronen los. Dit rooster, dat helpt de elektronen te geleiden, fungeerde als een kleine, onbedoelde bron van elektronen wanneer het werd geraakt door het eigen licht van de detector.

De studie sloot ook verschillende andere mogelijkheden uit. De onderzoekers controleerden of de vertragingen werden veroorzaakt door de meest voorkomende soort onzuiverheid, zuurstof, maar stelden vast dat het gedrag van de valse elektronen niet overeenkwam met wat men van zuurstof zou verwachten. Ze keken ook naar stikstof, een andere potentiële verontreiniging, maar de gegevens suggereerden dat de niveaus te laag waren om de hoofdoorzaak te zijn. In plaats daarvan wees het bewijs op een mix van verschillende onzuiverheden, waarvan sommige vluchtige gassen zouden kunnen zijn die gemakkelijk tussen de vloeibare en gasfases bewegen, en andere die complexere moleculen zouden kunnen zijn. Het team vond ook dat de snelheid van deze gebeurtenissen correleerde met de temperatuur van een koude val die radon verwijdert, wat suggereert dat ten minste één van de onzuiverheden werd opgevangen door dit koude filter.

Misschien wel het belangrijkste is dat de onderzoekers ontdekten dat de "ongecorreleerde" gebeurtenissen — die niet leken te volgen op een vorige gebeurtenis — mogelijk deel uitmaken van dezelfde familie. Ze observeerden een klein aantal gebeurtenissen die een veel langere vertraging leken te hebben, die langer dan een seconde duurde, wat te lang was om gemakkelijk in hun gegevens te volgen. Ze vermoeden dat veel van de gebeurtenissen die zij als willekeurig beschouwden, eigenlijk gewoon vertraagde vrijgaven waren van onzuiverheden die nog niet waren geïdentificeerd. De studie suggereert dat als de bron van deze elektronen beter begrepen en gecontroleerd kan worden, toekomstige experimenten in staat zullen zijn om hun detectiedrempel te verlagen. Dit zou hen in staat stellen om zelfs zwakkere signalen te zien, wat de deur opent naar het vinden van lichtere deeltjes donkere materie die tot nu toe verborgen zijn gebleven.

Het werk van de DarkSide-50 collaboratie biedt een duidelijk stappenplan voor het verbeteren van de gevoeligheid van toekomstige zoektochten naar donkere materie. Door te identificeren dat deze valse signalen grotendeels worden veroorzaakt door elektronen die gevangen zitten in onzuiverheden en met een vertraging worden vrijgegeven, heeft het team het veld van gissen naar weten gebracht. Ze hebben aangetoond dat de zuiverheid van de vloeistof van cruciaal belang is en dat het ontwerp van de detector, inclusief de materialen die voor de interne roosters worden gebruikt, een cruciale rol speelt bij het minimaliseren van de achtergrondruis. De bevindingen suggereren dat met betere zuiveringssystemen en zorgvuldige materiaalselectie, de volgende generatie detectoren dieper in de donkere geheimen van het universum zal kunnen kijken dan ooit tevoren, waardoor wat ooit een verwarrende achtergrondruis was, wordt omgezet in een beheersbaar en begrijpelijk onderdeel van het experiment.