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

Diep onder de Gran Sasso-berg in Italië wordt een enorm experiment gebouwd om te luisteren naar de zwakste fluistering van de meest ongrijpbare bewoners van het universum: donkere materie. Wetenschappers geloven dat deze onzichtbare substantie het grootste deel van de materie in het kosmos vormt, maar dat het zelden interageert met de gewone zaken die we kunnen zien en aanraken. Om een glimp op te vangen van een deeltje donkere materie, gebruiken onderzoekers een tank gevuld met tonnen vloeibaar argon, een superkoude vloeistof die zowel als doelwit als detector dient. Wanneer een deeltje donkere materie een argonatoom raakt, creëert het een klein flitsje licht. De uitdaging is dat deze flitsen ongelooflijk zwak zijn, vaak bestaande uit slechts enkele fotonen, en dat ze voorkomen in een zee van achtergrondruis. Om ze te kunnen zien, heeft het experiment ogen nodig die niet alleen gevoelig genoeg zijn om een enkel foton op te vangen, maar ook stil genoeg om geen eigen valse signalen te genereren in de ijzige duisternis.

Het DarkSide-20k-experiment, dat momenteel in aanbouw is, vertrouwt op een nieuw type lichtsensor genaamd een silicium fotomultiplier. In tegenstelling tot de traditionele vacuümbuizen die in oudere experimenten werden gebruikt, zijn deze sensoren solid-state apparaten gemaakt van silicium, vergelijkbaar met de chips in een computer maar ontworpen om licht te detecteren. Ze zijn gekozen vanwege hun vermogen om op extreem lage temperaturen te werken en hun gebrek aan natuurlijke radioactiviteit, wat cruciaal is omdat elke achtergrondstraling van de sensor zelf een signaal van donkere materie zou kunnen nabootsen. Deze sensoren moesten echter geperfectioneerd worden voor de taak. Vroege versies hadden moeite in de kou, waarbij ze te veel interne ruis genereerden en valse signalen creëerden die de zwakke fluisteringen van donkere materie zouden overstemmen. De onderzoekers moesten bewijzen dat de nieuwste generatie van deze sensoren, ontwikkeld door de Fondazione Bruno Kessler, vlekkeloos kon presteren in de barre omgeving van vloeibaar argon.

Om ervoor te zorgen dat de sensoren klaar waren voor het diepe ondergrondse milieu, voerde een team van wetenschappers een reeks rigoureuze tests uit in twee verschillende laboratoria, één in Canada en één in Italië. Ze koelden de sensoren af tot 77 Kelvin, een temperatuur die slechts 77 graden boven het absolute nulpunt ligt, wat de temperatuur is van vloeibare stikstof. In deze bevroren staat maten ze hoe de sensoren zich gedroegen wanneer ze in totale duisternis waren. Ze telden de willekeurige elektronische pulsen die optreden zelfs zonder licht, bekend als donkerruis, en stelden vast dat de nieuwe sensoren opmerkelijk stil waren. De snelheid van deze valse signalen was laag genoeg zodat het experiment een echt evenement van achtergrondruis kon onderscheiden. Ze bestudeerden ook hoe de sensoren reageerden wanneer een enkel foton hen raakte, waarbij ze de elektrische lading maten die werd geproduceerd. Dit stelde hen in staat om de gain van de sensor te berekenen, of de mate waarin deze een klein signaal versterkt, en bevestigde dat deze versterking voorspelbaar toeneemt naarmate de spanning wordt verhoogd.

Een cruciaal onderdeel van de test omvatte het begrijpen van hoe de sensoren elkaar per ongeluk zouden kunnen triggeren. Wanneer een foton een sensor raakt en een signaal creëert, kan het soms een secundair foton vrijgeven dat naar een naburige sensor vliegt en daar een kettingreactie van valse signalen veroorzaakt. De onderzoekers maten deze "crosstalk" en stelden vast dat, hoewel dit gebeurt, de nieuwe sensoren zo zijn ontworpen dat ze dit aanzienlijk onderdrukken. Ze keken ook naar "afterpulsing", een fenomeen waarbij een sensor kort na de initiële inslag opnieuw vuurt door gevangen elektrische ladingen. Het nieuwe ontwerp heeft dit effect zo sterk verminderd dat het nu in de praktijk verwaarloosbaar is voor de behoeften van het experiment. Deze bevindingen bevestigden dat de sensoren geen verwarrende bende van valse alarmen zouden creëren in de uiteindelijke detector.

Vervolgens richtte het team zich op hoe goed de sensoren daadwerkelijk het licht kunnen zien waarvoor ze zijn ontworpen. In het DarkSide-20k-experiment zendt het vloeibare argon licht uit in het ultraviolette bereik, wat onzichtbaar is voor de sensoren. Om dit licht zichtbaar te maken, wordt de tank gecoat met een speciale chemische stof die het ultraviolette licht absorbeert en het als blauw licht opnieuw uitzendt. De onderzoekers maten de efficiëntie van de sensoren bij het detecteren van dit blauwe licht over een breed scala aan kleuren. Ze vonden dat de sensoren uitzonderlijk goed zijn in het opvangen van deze fotonen, met een efficiëntie die piekt bij bijna 50 procent. Dit betekent dat voor elke twee fotonen van de juiste kleur die de sensor raken, er één succesvol wordt gedetecteerd en geregistreerd. Ze brachten ook in kaart hoe deze efficiëntie verandert met verschillende golflengten, waarmee zij bevestigden dat de sensoren perfect zijn afgestemd op het specifieke blauwe licht dat door de coating van het experiment wordt geproduceerd.

Ten slotte onderzochten de wetenschappers de secundaire fotonen die de sensoren zelf uitzenden tijdens een lawine van elektrische lading. Deze rondvliegende fotonen zouden door het vloeibare argon kunnen reizen en een andere sensor kunnen triggeren, wat een vorm van externe crosstalk veroorzaakt die de computeronderzoekers van het experiment moeten meenemen in hun modellen. Door een laser op de sensoren te schijnen en het zwakke licht dat zij uitzenden met een gevoelige camera op te vangen, mat het team het spectrum en de intensiteit van dit secundaire licht. Ze gebruikten deze metingen om te voorspellen hoeveel van deze rondvliegende fotonen de sensor zouden verlaten en door het vloeibare argon zouden reizen in de uiteindelijke detector. Deze gegevens zijn essentieel voor het bouwen van nauwkeurige computersimulaties van het experiment, waardoor natuurkundigen onderscheid kunnen maken tussen echte signalen van donkere materie en het complexe web van interacties die door de sensoren zelf worden veroorzaakt.

De uitgebreide testen beschreven in dit artikel bevestigen dat de nieuwe siliciumsensoren klaar zijn voor de uitdaging. Ze combineren hoge gevoeligheid met lage ruis en minimale interferentie, waardoor ze ideaal zijn voor het DarkSide-20k-experiment. Door te bewijzen dat deze apparaten betrouwbaar kunnen functioneren in de extreme kou en accuraat de zwakke lichtflitsen van potentiële interacties van donkere materie kunnen detecteren, hebben de onderzoekers een solide fundament gelegd voor een van de meest gevoelige zoektochten naar donkere materie die ooit is ondernomen. Het werk zorgt ervoor dat wanneer de detector volledig operationeel is, deze zal luisteren met de duidelijkst mogelijke oren, klaar om de diepste geheimen van het universum te horen.