Trabajo de detective de materia oscura: los descubrimientos de XENONnT
Los científicos usan detectores avanzados para encontrar señales de materia oscura.
XENON Collaboration, E. Aprile, J. Aalbers, K. Abe, S. Ahmed Maouloud, L. Althueser, B. Andrieu, E. Angelino, D. Ant, F. Arneodo, L. Baudis, M. Bazyk, L. Bellagamba, R. Biondi, A. Bismark, K. Boese, A. Brown, G. Bruno, R. Budnik, C. Cai, C. Capelli, J. M. R. Cardoso, A. P. Cimental Ch, A. P. Colijn, J. Conrad, J. J. Cuenca-Garc, V. D'Andrea, L. C. Daniel Garcia, M. P. Decowski, A. Deisting, C. Di Donato, P. Di Gangi, S. Diglio, K. Eitel, S. el Morabit, A. Elykov, A. D. Ferella, C. Ferrari, H. Fischer, T. Flehmke, M. Flierman, W. Fulgione, C. Fuselli, P. Gaemers, R. Gaior, M. Galloway, F. Gao, S. Ghosh, R. Giacomobono, R. Glade-Beucke, L. Grandi, J. Grigat, H. Guan, M. Guida, P. Gyorgy, R. Hammann, A. Higuera, C. Hils, L. Hoetzsch, N. F. Hood, M. Iacovacci, Y. Itow, J. Jakob, F. Joerg, Y. Kaminaga, M. Kara, P. Kavrigin, S. Kazama, P. Kharbanda, M. Kobayashi, D. Koke, A. Kopec, H. Landsman, R. F. Lang, L. Levinson, I. Li, S. Li, S. Liang, Z. Liang, Y. -T. Lin, S. Lindemann, M. Lindner, K. Liu, M. Liu, J. Loizeau, F. Lombardi, J. Long, J. A. M. Lopes, T. Luce, Y. Ma, C. Macolino, J. Mahlstedt, A. Mancuso, L. Manenti, F. Marignetti, T. Marrod, K. Martens, J. Masbou, E. Masson, S. Mastroianni, A. Melchiorre, J. Merz, M. Messina, A. Michael, K. Miuchi, A. Molinario, S. Moriyama, K. Mor, Y. Mosbacher, M. Murra, J. M, K. Ni, U. Oberlack, B. Paetsch, Y. Pan, Q. Pellegrini, R. Peres, C. Peters, J. Pienaar, M. Pierre, G. Plante, T. R. Pollmann, L. Principe, J. Qi, J. Qin, D. Ram, M. Rajado, R. Singh, L. Sanchez, J. M. F. dos Santos, I. Sarnoff, G. Sartorelli, J. Schreiner, P. Schulte, H. Schulze Eißing, M. Schumann, L. Scotto Lavina, M. Selvi, F. Semeria, P. Shagin, S. Shi, J. Shi, M. Silva, H. Simgen, C. Szyszka, A. Takeda, Y. Takeuchi, P. -L. Tan, D. Thers, F. Toschi, G. Trinchero, C. D. Tunnell, F. T, K. Valerius, S. Vecchi, S. Vetter, F. I. Villazon Solar, G. Volta, C. Weinheimer, M. Weiss, D. Wenz, C. Wittweg, V. H. S. Wu, Y. Xing, D. Xu, Z. Xu, M. Yamashita, L. Yang, J. Ye, L. Yuan, G. Zavattini, M. Zhong
― 6 minilectura
Tabla de contenidos
En el mundo de la física, especialmente cuando se trata de la misteriosa y esquiva materia oscura, los científicos están siempre buscando formas ingeniosas de detectarla. Imagina un mundo donde lo invisible lo controla todo a nuestro alrededor, escondido justo fuera de nuestro alcance. Es como un truco de magia que los científicos intentan desentrañar. Bueno, eso es la materia oscura: se cree que representa alrededor del 27% del universo, ¡pero no tenemos ni idea de qué es en realidad!
Una de las herramientas en este gran trabajo de detectives cósmicos es un detector especial llamado XENONnT. Este dispositivo está diseñado para atrapar las pistas de la materia oscura interactuando con la materia ordinaria (¡eso somos nosotros!). Pero hay un detalle: estas interacciones involucran señales muy débiles, especialmente cuando hablamos de eventos de baja energía. Aquí es donde realmente comienza la emoción.
¿Qué es XENONnT?
XENONnT es un experimento avanzado que utiliza un gran tanque lleno de xenón líquido, un gas noble y raro. Usa este gas para buscar signos de materia oscura, específicamente partículas masivas de interacción débil, también conocidas como WIMPs. Se teoriza que estas partículas son muy pesadas y que interactúan muy débilmente con la materia normal. Para captar un vistazo de estos WIMPs, XENONnT está diseñado para detectar luz de scintilación y electrones de ionización que se producen cuando las partículas interactúan con el xenón.
El Desafío de los Eventos de Baja Energía
Detectar los retrocesos nucleares de baja energía es crucial para el éxito de detectores de materia oscura como XENONnT. Estos retrocesos ocurren cuando las partículas de materia oscura golpean un núcleo en el átomo de xenón, provocando que se mueva, como una bola de billar siendo golpeada por la bola de la que se juega. La energía de estas interacciones puede ser muy baja, a menudo alrededor de 0.5 keV a 5 keV, lo que las hace difíciles de detectar.
Piensa en esto: es como buscar una aguja en un pajar, pero la aguja es invisible, y el pajar también está lleno de varias cosas que pueden confundir tu búsqueda.
Entra la Fuente de Fotoneutrones de Ytrio-Berilio
Para entender mejor estos suaves susurros de la materia oscura, los investigadores recurrieron a una herramienta ingeniosa llamada fuente de fotoneutrones de Ytrio-Berilio (YBe). Este dispositivo puede producir neutrones con una energía específica que imita las condiciones de una interacción de materia oscura. Al usar estos neutrones, los científicos pueden calibrar el detector XENONnT para asegurarse de que pueda medir con precisión los eventos de baja energía que está diseñado para detectar.
Este proceso de calibración es esencial. Sin él, las lecturas del detector podrían ser tan confiables como un pronóstico del tiempo en un tornado. Los científicos necesitan saber exactamente cómo responderá el detector a diferentes energías para separar las verdaderas señales del ruido de fondo.
¿Cómo Funciona?
La fuente YBe funciona produciendo neutrones cuasi-monoenergéticos a través de un proceso llamado fotodesintegración. En términos simples, esto significa que utiliza rayos gamma de las desintegraciones de Ytrio para descomponer átomos de Berilio, liberando neutrones en el proceso. Estos neutrones entran en el detector XENONnT para calibrar su respuesta a los retrocesos de baja energía.
Durante un experimento, los científicos colocaron la fuente YBe cerca del detector y contaron cuántas interacciones ocurrieron. Estaban atentos a dos tipos de señales: luz de scintilación (que ocurre durante una interacción) y electrones de ionización (que flotan hacia arriba en el xenón líquido).
Los Eventos
Durante su recolección de datos, los científicos acumularon un impresionante total de 474 eventos en 183 horas observando el funcionamiento del detector. De estos eventos, tuvieron que filtrar cuidadosamente los datos para encontrar las señales significativas entre las coincidencias accidentales que surgirían del ruido de fondo.
Es como intentar encontrar una buena canción en la radio mientras alguien cambia continuamente de emisora. Frustrante, pero cuando encuentras esa buena pista, ¡vale la pena!
El Proceso de Selección
Después de recolectar los datos, comenzó la parte difícil. Los investigadores tuvieron que filtrar los eventos para seleccionar los retrocesos nucleares causados por los neutrones. Usaron una combinación de técnicas, incluyendo modelar los eventos de fondo esperados y emplear un clasificador de árbol de decisión mejorado, que es un término elegante para un método que ayuda a distinguir entre diferentes tipos de señales basándose en ciertas características.
Este clasificador actúa como un portero muy inteligente en una fiesta. Deja entrar a los buenos invitados (los retrocesos nucleares) mientras expulsa a los que no pertenecen (el ruido de fondo). El resultado fue una selección refinada de eventos que representaban con precisión los retrocesos nucleares que estaban buscando.
Los Resultados
Los resultados de este masivo esfuerzo llevaron a la extracción de valores importantes de calibración, específicamente el rendimiento de luz (cuántos fotones se producen) y el rendimiento de carga (cuántos electrones se producen) por keV de deposición de energía en xenón líquido. Estos valores de rendimiento son cruciales para interpretar futuros datos recolectados por el detector XENONnT respecto a posibles interacciones de materia oscura.
Los investigadores se alegraron de encontrar que sus mediciones coincidían con los modelos existentes utilizados en otros experimentos, mostrando consistencia y confirmando que su proceso de calibración funcionó eficazmente. Era como si hubieran encontrado la llave correcta para abrir una puerta que habían estado tratando de abrir durante años.
Conclusión: Un Futuro Brillante
La calibración realizada con la fuente YBe permitió al equipo de XENONnT medir retrocesos de baja energía hasta aproximadamente 0.5 keV. Este logro es significativo; allana el camino para futuros descubrimientos en el campo de la materia oscura y abre puertas para entender otras interacciones raras de baja energía.
A medida que la comunidad científica sigue explorando las profundidades de la materia oscura, técnicas como esta calibración serán indispensables. ¿Quién sabe? Con cada paso, podríamos estar acercándonos a desvelar algunos de los mayores secretos del universo, gracias a experimentos ingeniosos y un poco de magia con neutrones.
Así que, la próxima vez que escuches charlas sobre materia oscura, recuerda: tras bastidores, los científicos juegan con fotones, neutrones y un poco de hechicería, todo en la búsqueda de entender mejor el universo. ¿Y a quién no le gustaría ser parte de esa aventura?
Fuente original
Título: Low-Energy Nuclear Recoil Calibration of XENONnT with a $^{88}$YBe Photoneutron Source
Resumen: Characterizing low-energy (O(1keV)) nuclear recoils near the detector threshold is one of the major challenges for large direct dark matter detectors. To that end, we have successfully used a Yttrium-Beryllium photoneutron source that emits 152 keV neutrons for the calibration of the light and charge yields of the XENONnT experiment for the first time. After data selection, we accumulated 474 events from 183 hours of exposure with this source. The expected background was $55 \pm 12$ accidental coincidence events, estimated using a dedicated 152 hour background calibration run with a Yttrium-PVC gamma-only source and data-driven modeling. From these calibrations, we extracted the light yield and charge yield for liquid xenon at our field strength of 23 V/cm between 0.5 keV$_{\rm NR}$ and 5.0 keV$_{\rm NR}$ (nuclear recoil energy in keV). This calibration is crucial for accurately measuring the solar $^8$B neutrino coherent elastic neutrino-nucleus scattering and searching for light dark matter particles with masses below 12 GeV/c$^2$.
Autores: XENON Collaboration, E. Aprile, J. Aalbers, K. Abe, S. Ahmed Maouloud, L. Althueser, B. Andrieu, E. Angelino, D. Ant, F. Arneodo, L. Baudis, M. Bazyk, L. Bellagamba, R. Biondi, A. Bismark, K. Boese, A. Brown, G. Bruno, R. Budnik, C. Cai, C. Capelli, J. M. R. Cardoso, A. P. Cimental Ch, A. P. Colijn, J. Conrad, J. J. Cuenca-Garc, V. D'Andrea, L. C. Daniel Garcia, M. P. Decowski, A. Deisting, C. Di Donato, P. Di Gangi, S. Diglio, K. Eitel, S. el Morabit, A. Elykov, A. D. Ferella, C. Ferrari, H. Fischer, T. Flehmke, M. Flierman, W. Fulgione, C. Fuselli, P. Gaemers, R. Gaior, M. Galloway, F. Gao, S. Ghosh, R. Giacomobono, R. Glade-Beucke, L. Grandi, J. Grigat, H. Guan, M. Guida, P. Gyorgy, R. Hammann, A. Higuera, C. Hils, L. Hoetzsch, N. F. Hood, M. Iacovacci, Y. Itow, J. Jakob, F. Joerg, Y. Kaminaga, M. Kara, P. Kavrigin, S. Kazama, P. Kharbanda, M. Kobayashi, D. Koke, A. Kopec, H. Landsman, R. F. Lang, L. Levinson, I. Li, S. Li, S. Liang, Z. Liang, Y. -T. Lin, S. Lindemann, M. Lindner, K. Liu, M. Liu, J. Loizeau, F. Lombardi, J. Long, J. A. M. Lopes, T. Luce, Y. Ma, C. Macolino, J. Mahlstedt, A. Mancuso, L. Manenti, F. Marignetti, T. Marrod, K. Martens, J. Masbou, E. Masson, S. Mastroianni, A. Melchiorre, J. Merz, M. Messina, A. Michael, K. Miuchi, A. Molinario, S. Moriyama, K. Mor, Y. Mosbacher, M. Murra, J. M, K. Ni, U. Oberlack, B. Paetsch, Y. Pan, Q. Pellegrini, R. Peres, C. Peters, J. Pienaar, M. Pierre, G. Plante, T. R. Pollmann, L. Principe, J. Qi, J. Qin, D. Ram, M. Rajado, R. Singh, L. Sanchez, J. M. F. dos Santos, I. Sarnoff, G. Sartorelli, J. Schreiner, P. Schulte, H. Schulze Eißing, M. Schumann, L. Scotto Lavina, M. Selvi, F. Semeria, P. Shagin, S. Shi, J. Shi, M. Silva, H. Simgen, C. Szyszka, A. Takeda, Y. Takeuchi, P. -L. Tan, D. Thers, F. Toschi, G. Trinchero, C. D. Tunnell, F. T, K. Valerius, S. Vecchi, S. Vetter, F. I. Villazon Solar, G. Volta, C. Weinheimer, M. Weiss, D. Wenz, C. Wittweg, V. H. S. Wu, Y. Xing, D. Xu, Z. Xu, M. Yamashita, L. Yang, J. Ye, L. Yuan, G. Zavattini, M. Zhong
Última actualización: 2024-12-11 00:00:00
Idioma: English
Fuente URL: https://arxiv.org/abs/2412.10451
Fuente PDF: https://arxiv.org/pdf/2412.10451
Licencia: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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