Ученые Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) в недавних исследованиях по поиску темной материи при помощи двухфазного криогенного детектора получили интересные фундаментальные результаты. Физики обратили внимание на тормозное излучение электронов на нейтральных атомах – дополнительный механизм электролюминесценции, благодаря которой и происходит регистрация частиц темной материи. Ученые экспериментально установили, что ранее не учитываемый механизм может не только упростить и удешевить детектирующие установки, но и повлиять на точность экспериментов по поиску темной материи. Эти результаты могут быть полезны различным проектам, например, международной коллаборации Dark Side.

Двухфазный криогенный детектор ИЯФ СО РАН работает на жидком аргоне и предназначен для поиска «вимпов» (WIMP: Weakly Interacting Massive Particle) – гипотетических слабовзаимодействующих массивных частиц, кандидатов на роль основного компонента темной материи. Прямой поиск таких частиц производится на детекторах темной материи по наблюдению событий их предполагаемого упругого рассеяния на атомных ядрах вещества детектора (в данном случае аргона). Предположительная масса вимпов составляет 10 ГэВ, а энергетический сигнал от них ожидается порядка 7 кэВ и меньше.

Екатерина Шемякина, младший научный сотрудник ИЯФ СО РАН:

«Сигнал первичных сцинтилляций (световых вспышек) от ядер отдачи с такими низкими энергиями может оказаться слишком мал для эффективной регистрации, поэтому требуется регистрировать первичную ионизацию. Один из способов такой регистрации – процесс электролюминесценции в газовой фазе детектора. Суть ее в том, что электроны первичной ионизации, вытянутые под действием электрического поля через границу раздела фаз, возбуждают атомы газа, что приводит к появлению излучения, которое уже могут зарегистрировать существующие фотодетекторы».

Детектор ИЯФ СО РАН с криогенной камерой объемом 10 л способен работать в режиме счета одиночных электронов первичной ионизации с рекордным (~1 мм) пространственным разрешением.
 
900 на 500 Двухфазный криогенный детектор и электроника систем питания и сбора данных
Двухфазный криогенный детектор и электроника систем питания и сбора данных
 
«Электролюминесценция в аргоне происходит за счет излучения возбужденных атомов в вакуумном ультрафиолете (длина волны порядка 128 нанометров), которое напрямую при помощи фотоэлектронных умножителей (ФЭУ) и кремниевых фотоумножителей (Si-ФЭУ) зарегистрировать нельзя. Поэтому, чтобы перевести излучение в видимую область, перед ФЭУ и Si-ФЭУ ставится оргстекло с нанесенными на него спектросмещающими веществами. Но из-за этого снижается эффективность детектора».

Чтобы попытаться избежать этой неприятности, ученые провели эксперименты по наблюдению электролюминесценции в видимой области излучения в чистом аргоне. Оказалось, что на Si-ФЭУ и ФЭУ без пленки спектросмещающих веществ видимый свет все равно регистрируется. Изучив литературу, физики нашли причину происходящего в экспериментах. Электролюминесценция в этом случае происходит благодаря механизму тормозного излучения электронов на нейтральных атомах.

«Последние тридцать лет об этом эффекте никто ничего не писал. Тормозное излучение на нейтральных атомах было забыто по причине, что вторичные сцинтилляции полностью объясняли механизмами, основанными на прямом возбуждении атомов благородного газа электронами.

Учет тормозного излучения на нейтральных атомах позволил нам отказаться от спектросмещающих добавок, использовать гейгеровские лавинные фотодиоды без всяких покрытий. Мы построили теорию, вычислили функции распределения электронов по энергиям, взяли известные сечения рассеивания электронов на атомах аргона, и с помощью этого вычислили спектры тормозного излучения, которые, как оказалось, охватывают УФ-диапазон и уходят далеко в ИК-диапазон, а значит любой фотодетектор может их зарегистрировать. То есть тем самым мы упростили и удешевили наш прототип детектора для поиска темной материи.

Но главное, наши результаты показали, что, если не учитывать присутствие электролюминесценции в видимом диапазоне, эксперименты по поиску темной материи могут быть некорректными. Эти фундаментальные результаты могут пригодиться различным проектам по поискам темной материи, например, международной коллаборации Dark Side, в которой принимают участие ИЯФ СО РАН и НГУ».

Результаты опубликованы в журнале Astroparticle Physics в статье Revealing neutral bremsstrahlung in two-phase argon electroluminescence и представлены на конференции XeSAT 2018.