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Edição n.7  (Março 2014)



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Memorando da participação Portuguesa no programa experimental do LHC




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Dark Matter Search

Participation in Dark Matter experiments and R&D on Liquid Xenon Detectors for Dark Matter Search


Em 2014, as actividades do LIP na área da detecção directa de matéria escura continuarão centradas na participação na experiência Large Underground Xenon (LUX). Incluirão também actividades de I&D com vista à concepção e construção do detector LZ, assim como a participação na elaboração do "Conceptual Design" da experiência LZ.
A experiência LUX constitui um passo decisivo na procura da matéria escura na forma de “Weakly Interacting Massive Particles” (WIMPs). LUX utiliza um detector de xénon de duas fases, técnica bem comprovada pelas experiências ZEPLIN e XENON, introduzindo, no entanto, avanços cruciais relativamente a estas duas experiências, como por exemplo, um aumento muito significativo da massa de xénon (350 kg comparada com 6,5kg e 100 kg em ZEPLIN-III e XENON, respectivamente), avanços nas técnicas de blindagem e de criogenia, redução do fundo de radiação, o que permite melhorar a sensibilidade da experiência.
Para além da sua elevada sensibilidade e do seu consequente potencial para detectar WIMPs, LUX serve também de “balão-de-ensaio” de tecnologias necessárias à próxima geração de detectores de WIMPs: 1) Utilização de fotomultiplicadores maiores e com menor radioatividade; 2) Um sistema criogénico que utiliza termosifões que permite arrefecer o detector de forma compacta e muito eficiente; 3) crióstato e detector em titânio de baixa radioatividade; 4) imersão do crióstato num tanque de água ultra-pura, equipado com fotomultiplicadores, em vez das blindagens de chumbo e de polietileno habitualmente utilizadas; 5) Fontes de calibração gasosas (Kr-83m e H-3) introduzidas diretamente no xénon.
A Colaboração LUX é constituída por 14 instituições de 3 países (EUA, Portugal e UK), num total de cerca de 86 indivíduos. O LIP é membro da Colaboração LUX desde Dezembro de 2010.
No final de 2013, após 3 meses de aquisição de dados, LUX anunciou e publicou os seus primeiros resultados respeitantes à procura da matéria escura que mostram que LUX é a experiência em funcionamento com maior sensibilidade para a detecção de WIMPs usando a dispersão elástica WIMP-nucleões mediada pela interação independente de spin. Essa sensibilidade tem um máximo para mWIMP=33 GeV/c2 e é cerca de 3 vezes maior do que a sensibilidade máxima de qualquer outra experiência em funcionamento. Para baixos valores de mWIMP, esse factor passa para cerca de 20 e os resultados de LUX não concordam com os de outras experiências que sugerem terem observado WIMPs a baixas massas.
LUX fará uma aquisição de dados de cerca de 300 dias efetivos em 2014/2015. Antes disso, decorrerão alguns estudos de engenharia e calibrações para estabelecer os parâmetros ideais com que o detector deve operar durante a tomada de dados e que podem conduzir ao acréscimo adicional da sensibilidade do detector. Entre os aspectos que vão merecer atenção nesta fase contam-se o possível aumento dos campos eléctricos aplicados, o aumento da estatística nas calibrações, o decréscimo da radiação de fundo e o funcionamento do tanque como veto ativo.
Em 2014, o grupo do LIP continuará com as responsabilidade que tem assumido até agora, nomeadamente o sistema de controlo do detector e subsistemas associados (SCD), o sistema automático de distribuição de azoto líquido e a reconstrução em posição das interações no detector. O SCD e o sistema de distribuição de azoto sofrerão intervenções no sentido de aumentar a sua flexibilidade e minimizar a necessidade de intervenção local de pessoal. O algoritmo/software de reconstrução das coordenadas das interações no detector será optimizado no sentido de conseguir reconstruir as coordenadas de interações que depositam muito baixa energia até ao limite daquelas que dão origem a um único electrão livre. O grupo planeia também aumentar o envolvimento na análise de dados e continuar a participar nas operações locais em SURF.
Paralelamente ao envolvimento em LUX, o grupo planeia também participar na preparação da próxima geração de detetores de matéria escura. Qualquer que seja o resultado da próxima tomada de dados de LUX - a detecção de WIMPs ou a melhoria substancial do limite superior da secção eficaz da interação WIMP-nucleão - vai ser necessário construir um novo detector com uma massa substancialmente superior, i.e., da ordem das várias toneladas, de modo a aumentar a estatística para permitir estudar as propriedades dos WIMPs (no caso da descoberta) ou levar a sensibilidade até ao valor para além do qual esta técnica deixa de ser útil por causa do fundo devido às interações dos neutrinos solares.
Nesse sentido fazemos já parte da Colaboração LUX_ZEPLIN (LZ) que propõe a construção de um detector de 7 toneladas, que utiliza a mesma tecnologia que LUX, a ser instalado em SURF, Lead, Dakota do Sul. A experiência LZ tirará proveito da infraestrutura existente e de algumas componentes de LUX, como é o caso do tanque de água. A Colaboração conta com 17 instituições dos EUA, 7 do Reino Unido, 1 da Rússia e o LIP de Portugal. O LIP foi convidado a participar em LZ quando do estabelecimento da colaboração em 2009. LZ está presentemente a terminar o seu "Conceptual Design" financiado pelo DOE, EUA.
Em LZ, o LIP coordenada o Grupo responsável pela sistema de controlo da experiência que constitui a principal responsabilidade assumida pelo grupo até ao momento. Planeamos no futuro próximo desenvolver o software para a reconstrução em posição no detector de LZ baseados na larga experiência que temos nesta matéria.
LZ constitui um excelente projeto para o treino de engenheiros físicos, ao nível do Mestrado e do Doutoramento, numa grande variedade de técnicas e tecnologias. Será também muito atraente para estudantes de doutoramento em Física dado o interesse e atualidade do tópico (a detecção da matéria escura) e o desafio que análise de dados comporta. LZ constituirá para todos um ambiente de investigação muito competitivo e estimulante.


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