Development and Initial Performance of an Upgraded NaI(Tl) Crystal Encapsulation for COSINE-100U

Stel je voor dat het universum een gigantische, donkere oceaan is, en dat het meeste water bestaat uit iets wat we niet kunnen zien, voelen of ruiken. Wetenschappers noemen deze onzichtbare substantie "donkere materie". We weten dat het er is omdat het aan sterren en sterrenstelsels trekt als een verborgen zwaartekracht, maar niemand heeft ooit een enkel deeltje ervan gevangen. Het is alsof je probeert een specifieke geest in een spookhuis te vinden door alleen te luisteren naar voetstappen. Een beroemd experiment, genaamd DAMA/LIBRA, beweerde die voetstappen te horen: ze zagen een signaal dat elk jaar op en neer wiebelde, precies zoals de Aarde door een wolk van donkere materie beweegt. Maar andere wetenschappers waren sceptisch. Ze wilden hetzelfde geluid horen met hetzelfde soort "oren" om er zeker van te zijn dat het niet gewoon een krakende vloerplank of een tochtige deur was.

Om het debat te beslechten, bouwde een team een nieuw paar oren met speciale kristallen die oplichten wanneer ze worden geraakt door deeltjes. Deze kristallen, gemaakt van natriumjodide, zijn als kleine, supergevoelige zaklampen die flitsen wanneer een deeltje donkere materie (of een regulier achtergronddeeltje) tegen hen aan botst. De uitdaging is dat deze kristallen erg kieskeurig zijn; ze moeten droog worden gehouden, en het licht dat ze produceren moet perfect worden opgevangen om geteld te kunnen worden. Als het licht verloren gaat of als het kristal vuil wordt, wordt het signaal overstemd door ruis. Dit artikel vertelt het verhaal van hoe een team een oude set van deze kristallen-oren een flinke make-over gaf en ze in een gloednieuw, superstil ondergronds huis plaatste om te zien of ze het gefluister van de donkere materie beter konden horen.

De Kristal Make-over: Van Beslagen Ramen naar Kristalhelder

De wetenschappers achter het COSINE-100 experiment besloten hun detector te upgraden, waarbij ze een nieuwe versie creëerden genaamd COSINE-100U. Denk aan hun oude opstelling als een camera met een dik, beslagen glazen venster voor de lens. Elke keer als een flits van licht (een foton) van het kristal naar de sensor probeerde te komen, moest het door dit venster gaan, waarbij het wat helderheid verloor onderweg. In het oude ontwerp waren deze "vensters" eigenlijk dikke kwartsblokken die tussen het kristal en de lichtsensoren zaten.

Voor de upgrade besloot het team de beslagen vensters te verbrijzelen. Ze verwijderden het kwarts volledig en lijmden de lichtsensoren direct op het kristal met behulp van een dunne, transparante siliconen pad. Het is alsof je een camera neemt en de lens direct op de film plakt, waarbij je het glas volledig overslaat. Om ervoor te zorgen dat er geen licht aan de zijkanten ontsnapte, hebben ze ook de randen van de kristallen onder een hoek van 45 graden afgeschuind, wat werkt als een spiegel die rondvliegend licht terug naar de sensoren kaatst. Ze wikkelden het geheel in een glanzend, wit materiaal (PTFE) dat fungeert als een perfecte spiegel, en verzegelden het in een koperen doos om buiten te houden wat vloeistof zou kunnen zijn die het kristal zou verpesten.

De Resultaten: Luidere Flitsen en로 Stillere Kamers

Na het bouwen van dit nieuwe systeem testte het team de detector in een kamer-temperatuur lab in de Yemilab faciliteit in Korea. Ze draaiden de detector gedurende 2462 uur (ongeveer 102,6 dagen) en vergeleken de resultaten met de laatste 698 uur (29,1 dagen) aan data van de oude detector.

De resultaten waren een groot succes. Het nieuwe ontwerp maakte de kristallen veel helderder. In de oude opstelling produceerden de kristallen gemiddeld ongeveer 15 foto-elektronen (kleine flitsen van licht) voor elke kiloelektronvolt (keV) aan energie. In de nieuwe opstelling steeg dat aantal. De kristallen produceren nu tussen de 15,8 en 27,7 p.e./keV. Zes van de acht kristallen overschreden zelfs de 20 p.e./keV grens. Eén kristal, in het bijzonder, ging van een doffe 15,5 naar een briljante 27,7.

Nog beter: de upgrade redde twee kristallen die voorheen te dof waren om te gebruiken. In het oude experiment waren Kristal 5 en 8 zo beslagen dat ze genegeerd moesten worden. Na de make-over ging Kristal 5 van een zwakke 7,3 naar een sterke 17,8, en Kristal 8 van een zeer doffe 3,5 naar een bruikbare 15,8. Ze werden uit de dood opgewekt!

Het Opruimen van de Ruis

Het helderder maken van de kristallen is slechts de helft van de strijd; je moet ook de kamer stiller maken. De kristallen kunnen gestoord worden door "achtergrondruis", die voortkomt uit minuscule hoeveelheden natuurlijke radioactiviteit binnenin het kristal of op het oppervlak ervan. Het team mat twee soorten van deze ruis:

1. Bulk Alfa: Ruis die van diep binnenin het kristal komt.
2. Oppervlakte Alfa: Ruis die van de uiterste buitenkant van het kristal komt.

De metingen lieten zien dat de "bulk"-ruis (het diepe gedeelte) licht afnam, wat precies is wat je verwacht wanneer het natuurlijke radioactieve materiaal binnenin na verloop van tijd langzaam vervaagt. De "oppervlakte"-ruis daalde echter drastisch. Omdat het team zo zorgvuldig was bij het schoonmaken en polijsten van de kristallen voordat ze werden verzegeld, werd de oppervlakte-ruis met een enorme hoeveelheid verminderd. Voor sommige kristallen daalde de oppervlakte-ruis met bijna tien keer.

Het Eindbeeld

Toen het team naar de energiespectra keek (de grafiek die laat zien hoeveel gebeurtenissen er plaatsvonden bij verschillende energieniveaus), toonde de nieuwe detector minder "vals alarm" bij lage energieën. Dit is cruciaal omdat signalen van donkere materie naar verwachting zeer zwak en laag-energetisch zijn. Door de kristallen helderder en de achtergrondruis stiller te maken, is de COSINE-100U detector nu veel gevoeliger.

Het artikel concludeert dat dit nieuwe ontwerp precies werkt zoals gepland. De kristallen zijn helderder, de ruis is lager, en de detector is klaar voor zijn volgende fase: draaien op een ijzige -30 °C. De wetenschappers geloven dat het koelen van de kristallen ze nog beter zal maken in het opmerken van de zwakke gefluister van donkere materie. Hoewel dit artikel nog geen claim legt dat het donkere materie heeft gevonden, heeft het succesvol een veel scherper paar oren gebouwd om naar te luisteren.