Введение к работе
Актуальность проблемы. Имеются веские аргументы в пользу того, что значительная часть вещества во Вселенной ничего не излучает и не поглощает и поэтому невидима. О наличии такой невидимой материи можно узнать по ее гравитационному взаимодействию с излучающей материей. Плотность излучающего вещества составляет не более 0.01 критической плотности в предположении плоской Вселенной. Если даже принять во внимание все формы бариогаюй материи, такие, как межпланетная пыль, коричневые и белые карлики, нейтронные звезды и черные дыры, то оказывается, что для объяснения всех наблюдаемых явлений необходима значительная доля небарионной материи.
Современный анализ реликтового фонового ЗК излучения, измеренного со спутника СОВЕ, крупно- и мелкомасштабной структуры Вселенной (измерения красного смещения с помощью спутника IRAS) указывают на то, что Темная Материя предпочтительно может состоять из 10% барионной (БТМ), 60% небарионной холодной - нерелятивистской (ХТМ) и 30% небарионной горячей - релятивистской (ГТМ) Темной Материи1. Более определенный вывод о составе Темной Материи, по крайней мере ее небарионной части, можно будет сделать только по результатам детектирования частиц - кандидатов на роль ХТМ и ГТМ.
Теоретические модели предлагают широкий спектр новых частиц как кандидатов на роль небарионной Темной Материи. Особый интерес в контексте данной работы представляет класс частиц, взаимодействующих только слабым образом, объединенных общим названием WTMP (Weakly Interacting Massive Particles), массы которых лежат в диапазоне ~1-10000
сочетающие в себе возможности работы с низким энергетическим порогом и очень низким собственным фоном в припороговой области при большой эффективной массе детектора-мишени и высокой долговременной стабильности измерений. Совокупность результатов различных современных экспериментов по поиску WIMP дает только ограничения на сечения их взаимодействия с ядрами детекторов, на области масс и параметры теоретических моделей. Ожидается, что следующее поколение детекторов, как и увеличение экспозиции уже действующих установок, позволит сделать более определенный вывод о составе темного гало нашей галактики.
Одной из экспериментальных установок, на которой с 1995 г. проводится поиск WIMP, является экспериментальная установка "BAKSAN-IGEX", работающая в БНО ИЯИ РАН, в которой используются два низкофоновых германиевых детектора весом около 1 кг каждый, изготовленных из материала с различным изотопным составом.
Цели представляемой диссертации:
-
В ходе долговременных непрерывных измерений собственного фона германиевых: детекторов с различным изотопным составом накопить и обработать информацию с целью поиска WIMP по их взаимодействию (различного типа) с ядрами Ge. Для достижения этих целей используются эффективные пассивная и активная защиты, дискриминация по форме имаульса, низкий энергетический порог, сверх низкий фон детекторов и специальные методы отбора событий.
-
Из анализа формы фоновых энергетических спектров детекторов получить новые ограничения на сечения упругих спин-независимых и спин-зависимых взаимодействий WIMP.
-
По результатам анализа временных распределений скорости счета детекторов поставить экспериментальные пределы на амплитуду годовых модуляций, исходя из которых получить более строгие ограничения на сечения взаимодействия WIMP.
-
Используя предложенную и разработанную в данной работе методику отбора событий - кандидатов на неупругое взаимодействие WIMP с
возбуждением долгоживущих уровней Ge, получить ограничения па сечение таких взаимодействий.
Новизна работы. Впервые на базе одной экспериментальной установки в течении длительного (более 2-х лет) цикла измерений по нескольким параметрам проведен поиск различных типов (спин-независимых, упругих и неупругих спин-зависимых) взаимодействий WIMP - наиболее предпочтительных кандидатов на роль ХТМ, с детекторами-мишенями с различным изотопным составом Ge. Применение специальных методов обработки информации, основанных на анализе исходных данных одновременно по нескольким параметрам, характеризующим как форму энергетических спектров л форму импульса каждого события, так и временные распределения скорости счета детекторов, позволило существенно увеличить чувствительность эксперимента и получить новые ограничения на параметры взаимодействия WIMP. Получены новые ограничения на сечение когерептного взаимодействия WIMP с ядрами Ge для масс WIMP >7.5 ГэВ. Впервые получены ограничения на сечения спин-зависимых взаимодействий WIMP с ядрами 73Ge для упругого (из анализа разностного спектра детекторов) и неупругого, с возбуждением 13.3 и 66.7 кэВ уровней, взаимодействий для масс WIMP > 15 ГэВ. Получены более строгие ограничения на сечение когерентного взаимодействия WIMP с ядрами Ge для масс WIMP 7.5-18 ГэВ из анализа временных распределений скорости счета детекторов в низкоэнергетической части спектра.
Практическая и научная значимость работы. Разработана методика дискриминации событий по форме импульса, позволившая существенно снизить собственный фон детекторов в припороговой области. Предложена и разработана уникальная методика отбора событий - кандидатов на неупругое взаимодействие WIMP с возбуждением долгоживущих уровней 73Ge, что позволило значительно увеличить фактор отбора сигнал/фон для таких взаимодействий. Применение этой методики в экспериментах с большими массами детекторов-мишеней из обогащенного 73Ge позволит существенно повысить чувствительность будущих экспериментов.
Получены новые ограничения на сечения различных видов взаимодействия WIMP в широком диапазоне масс.
Апробация работы. Основные результаты, вошедшие в диссертацию, докладывались на международных конференциях "Particles and Cosmology" (Russia, 1995), "The Dark Side of the Universe" (Italy, 1995), "Aspects of Dark Matter in Astro- and Particle Physics" (Germany, 1996), "Dark Matter in the Universe and its Direct Detection" (Poster) (Japan, 1996), "Particles and Cosmology" (Russia, 1997), "NANP-97, International Workshop on non-Accelerator New Physics" (Russia, 1997), а также на семинарах ОБНО Института ядерных исследований РАН.
Публикация и объем работы. Основные результаты диссертации опубликованы в 7-ми работах. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, содержит 124 страницы, включая 49 рисунков, 12 таблиц и список литературы из 123 наименований.
Основные положення, выносимые на защиту:
-
Создана экспериментальная установка для поиска WIMP темного галактического гало различными методами, основанными на анализе энергетических и временных спектров фона низкофоновых германиевых детекторов, изготовленных из материалов с различным изотопным составом. Кроме детекторов, установка включает в себя пассивную и активную защиты и систему регистрации, позволяющую получить и накопить полную информацию о каждом событии с детекторов, включая оцифрованную форму импульса. Достигнут рекордно низкий для детекторов такой массы энергетический порог 2 кэВ. Проведены долговременные непрерывные измерения с мая 1995 по февраль 1998. Обработаны результаты за 675.6 дней живого времени (живое время составляет ~80% общего времени работы установки).
-
Предложена и разработана уникальная методика отбора событий -кандидатов на неупругое спин-зависимое взаимодействие WIMP с ядрами 73Ge с возбуждением низкоэнергетических долгоживуших уровней.
-
Разработаны и реализованы специальные программы сбора и обработки информации, программы отбора событий по форме импульса и программы отбора событий, имеющих специальную форму в результате неупругого взаимодействия WIMP с возбуждением долгоживущих уровней 13.3 и 66.7 кэВ 73Ge. Разработаны программы для расчета функции отклика детекторов на взаимодействие с WIMP и расчета ограничений на сечения взаимодействия WIMP с ядрами детектора из анализа формы экспериментальных энергетических спектров и анализа временных распределений скорости счета детекторов.
-
Получены новые ограничения на сечение когерентного взаимодействия WIMP в широком диапазоне масс с ядрами Ge (см. Рис. 3). В частности, тяжелые дираковские нейтрино исключены, как кандидаты на роль частиц холодной Темной Материи в диапазоне масс 13 Гэв - 4.5 ТэВ.
-
Впервые получены ограничения на сечения спин-зависимых взаимодействий WIMP с ядрами 73Ge для упругого (см. Рис. 4) и неупругого, с возбуждением 13.3 и 66.7 кэВ уровней (см. Рис. 7), взаимодействий для масс WIMP > 15 ГэВ.
-
Получены новые ограничения на сечение когерентного взаимодействия WIMP с ядрами Ge из анализа данных по поиску годовых модуляций скорости счета детекторов в низкоэнергетической части спектра для масс WIMP >7.5 ГэВ (см. Рис. 5).
