DarkSide-50 è una camera a proiezione temporale (TPC - “Time Projection Chamber”) in doppia fase ad Argon, sviluppata per ricercare evidenze dirette di materia oscura.
L’esperimento è situato nella Sala C dei Laboratori Nazionali del Gran Sasso, all’interno del Parco Nazionale del Gran Sasso e Monti della Laga ed è in presa dati dati dall’ottobre 2013.
DS-20k è un rivelatore in Argon in doppia fase con un volume attivo di 50 tonnellate di Argon Liquido (LAr). Sarà installato nella Sala C dei LNGS nel 2022 e riuscirà a rivelare materia oscura in forma di WIMP, oppure raggiungere una sensibilità nella sezione d'urto WIMP-nucleone di 7.4x10-48cm2 alla massa di 1TeV/c2.
Descrizione
DarkSide-50 è una TPC ad Argon. Trentotto fotomoltiplicatori Hamamatsu R11065 da 3 pollici e a bassa radioattività, 19 sulla sommità e 19 sul fondo della TPC, vedono la regione di volume attivo attraverso finestre di silice fusa. Le finestre sono rivestite da entrambi i lati da ossido di indio (ITO) e stagno, un conduttore trasparente. Questo fa si che la superficie interna della finestra funzioni da anodo a terra (parte superiore) e da catodo da -60kV (parte inferiore) per la TPC mantenendo la parte esterna vicino al potenziale di -1.5kV del fotocatodo dei PMT.
Uno strato di gas per la produzione di un segnale di elettroluminescenza è garantito da una montatura cilindrica sulla finestra di silice fusa, che si estende verso il basso per formare una campana subacquea contenente vapore di Argon di dimensione 2 cm (“gas pocket”) al di sopra volume di deriva della TPC. Il recipiente cilindrico contenente il volume attivo di Argon è fatto di PTFE, trattato in maniera tale da essere altamente riflettente per lunghezze d’onda nel visibile. L’intera superficie interna del volume attivo è rivestita con lo shifter di lunghezza d'onda TetraPhenylButadiene (TPB) per convertire la luce di scintillazione dell’Argon a 128nm in luce con lunghezza d’onda rilevabile dai PMTs. Il campo di drift è prodotto da un sistema formato dai piani del catodo di ITO e dell’anodo e una griglia che separa la regione di deriva degli elettroni da quella di estrazione.
La TPC di DarkSide-50 è inserita all’interno di un veto per neutroni costituito da scintillatore liquido borato, il quale a sua volta è all’interno di un veto per muoni costituito da un rivelatore Cherenkov ad acqua. Questo design ha permesso a DarkSide-50 di beneficiare di una soppressione attiva del fondo, ed ha anche consentito l’esperienza diretta nell’operare un rivelatore a basso fondo all’interno di schermi attivi in prospettiva di futuri upgrade.
DS-20k consiste in due rivelatori concentrici alloggiati all'interno di un grande criostato sostanzialmente simile a quello dell'esperimento ProtoDUNE. L’inizio delle operazioni è previsto nel 2023 per rivelare materia oscura in forma di WIMP ovvero escludere una parte sostanziale dello spazio dei parametri, fino ad una sensibilità per la sezione d'urto WIMP-nucleone di 7.4x10-48 cm2 per una massa di 1TeV/c2.
Il rivelatore interno è una TPC in Argon in doppia fase (LAr TPC) in un contenitore costituito da acrilico ultra-puro (PMMA) riempito con Argon a ultra-bassa radioattività estratto da sorgenti sotterranee (UAr) letto da 8280 matrici di PDM (moduli di fotorivelatori) costituite da SiPM (fotomoltiplicatori su Silicio). L'altezza della TPC è 350 cm e la massa totale di UAr nel volume fiduciale è 49.7 tonnellate.
Il rivelatore di veto esterno è costruito da strati di PMMA caricato con Gadolinio, che circondano il rivelatore interno, e da una gabbia di Faraday esterna in rame. Il volume nel criostato risulta quindi diviso in tre diverse parti ed è riempito da 760 tonnellate di Argon liquido estratto dall’atmosfera. Le PDM saranno installate in ogni volume, che verrà utilizzato come rivelatore veto in anticoincidenza, diminuendo il fondo originato dai raggi cosmici e dai raggi gamma e neutroni emessi dai materiali di costruzione del rivelatore.
DarkSide-20k è progettato per lavorare in condizioni di "fondo nullo", intendendo che tutte le sorgenti di fondi radioattivi naturali o indotti dagli strumenti siano inferiori a 0.1 eventi per una esposizione di 200 tonnellate-anno. Tutti i fondi da radiazione al minimo di ionizzazione saranno completamente rimossi grazie all'azione combinata dell'analisi della forma degli impulsi (“Pulse Shape Discrimination”) della scintillazione primaria ed al suo confronto con la radiazione secondaria. Questa eccellente sensibilità ai rinculi coerenti dei nuclei permetterà a DarkSide-20k di rivelare impulsi di neutrini provenienti dall'esplosione di supernovae nella Via Lattea e, per la maggior parte della galassia, identificare chiaramente l'impulso di neutronizzazione, ottenendo una misura indipendente dal flavor del flusso totale dei neutrini e dell’energia media.
Responsabile del progetto
Questo indirizzo email è protetto dagli spambots. È necessario abilitare JavaScript per vederlo. (GSSI e Princeton University)
Viceresponsabile
Questo indirizzo email è protetto dagli spambots. È necessario abilitare JavaScript per vederlo. (Università di Napoli e INFN)
Collaborazione attuale (2019) di DarkSide-50
43INFN Perugia, Perugia 06123, Italy
Pubblicazioni recenti
P. Agnes et al. “First results from the DarkSide-50dark matter experiment at Laboratori Nazionali del Gran Sasso”. Physics Letters B, 743: 456-466 (2015).
P. Agnes et al. “Results from the first use of low radioactivity argon in a dark matter search”. Physical Review D, 93: 081101(R) (2016).
J. Xu et al. “A study of the trace 39Ar content in argon from deep underground sources”. Astroparticle Physics, 66: 53-60 (2015).
P. Agnes et al. "DarkSide-50 532-day dark matter search with low-radioactivity argon", Physical Review D 98, 102006 (2018).
P. Agnes et al. "Low-Mass Dark Matter Search with the DarkSide-50 Experiment", Physical Review Letters 121, 081307 (2018).
P. Agnes et al. "Constraints on Sub-GeV Dark-Matter–Electron Scattering from the DarkSide-50 Experiment", Physical Review Letters 121, 111303 (2018).
Sito ufficiale
http://darkside.lngs.infn.it/