アルDM

ArDM (アルゴン暗黒物質) 実験は、液体アルゴン検出器に基づく素粒子物理学実験であり、宇宙の暗黒物質を構成する可能性のあるWIMP (弱い相互作用をする巨大粒子)からの信号を測定することを目的としています。アルゴン原子核による WIMP の弾性散乱は、イオン化による自由電子と、反跳原子核が近隣の原子と相互作用することによって生成されるシンチレーションによる光子を観測することによって測定できます。イオン化信号とシンチレーション信号は、検出器の基本部分を構成する専用の読み出し技術を使用して測定できます。

十分に高いターゲット質量を得るために、希ガスのアルゴンがターゲット材料として液相で使用されました。アルゴンの沸点は常圧で 87 K であるため、検出器の動作には極低温システムが必要でした。

ArDM実験は2019年にデータ取得が停止され、実験装置が廃止されたことで終了しました。ArDM実験装置はその後、カンフランク地下研究所で別の物理実験であるDArT（ダークサイドプログラムの一部）に再利用されました。^[1]

ArDM は暗黒物質粒子の信号を発見しませんでした。

ArDM 検出器は、アルゴン原子核からの弾性散乱を介して WIMP からの信号を直接検出することを目的としています。散乱中、特定の反跳エネルギー (通常 1 keV から 100 keV の間) が WIMP からアルゴン原子核に伝達されると考えられます。

WIMP-アルゴン相互作用からの信号がどの程度の頻度で期待できるかは不明です (そもそも期待できるかどうかは不明です)。この頻度はWIMPの特性に依存します。WIMPの最も一般的な候補の1つは、超対称性理論における最軽量超対称粒子(LSP) またはニュートラリーノです。その核子との断面積はおそらく10 ⁻¹² pbから10 ⁻⁶ pbの間であるため、WIMP-核子相互作用はまれなイベントです。ターゲットのプロパティを最適化する (ターゲット質量を増やすなど) ことで、総イベント頻度を上げることができます。ArDM検出器には、約1トンの液体アルゴンを入れる計画でした。このターゲット質量は、断面積が10 ^{−6 pbの場合は1日あたり約100イベント、10 −10} pbの場合は1日あたり0.01イベントのイベント頻度に相当します。

小さなイベント率には強力なバックグラウンド除去が必要です。アルゴンベースの検出器にとって重要なバックグラウンドは、大気から液化した天然アルゴンに含まれる不安定な³⁹ Ar 同位体の存在に起因します。 ^{39 Ar は}ベータ崩壊を起こし、半減期は 269 年で、ベータ スペクトルの終点は 565 keV です。電子とガンマの相互作用によるイオン化とシンチレーションの比率は、WIMP 散乱によって生成されるものと異なります。したがって、 ³⁹ Ar バックグラウンドは、イオン化/シンチレーション比率を正確に決定することで、十分に区別できます。代替案として、地下井戸からの劣化アルゴンの使用が検討されています。

検出器の部品や検出器の周囲の材料から放出される中性子は、推定される WIMP と同様にアルゴンと相互作用します。したがって、中性子バックグラウンドはほとんど区別がつかず、検出器の材料を慎重に選択するなどして、できるだけ低減する必要があります。さらに、残留中性子束の推定または測定が必要です。

宇宙線によって引き起こされるバックグラウンドを避けるため、検出器は地下に設置されました。

ArDM 検出器は 2006 年にCERNで組み立てられ、テストされました。地上で機器と検出器の性能に関する研究が行われた後、2012 年にスペインのカンフランク地下研究所の地下に移されました。室温で稼働し、テストされました。^[2] 2013 年 4 月の地下稼働中、光収量は地上の状態と比較して向上しました。冷たいアルゴンガスの稼働と検出器の開発の継続が計画されました。液体アルゴンの結果は 2014 年に予定されていました。

1 トン バージョンを超えると、技術を根本的に変更することなく検出器のサイズを大きくすることができます。10 トンの液体アルゴン検出器は、ArDM の拡張可能性として検討されました。1 kg から 100 kg の質量スケールでの暗黒物質検出の実験で否定的な結果が得られたことから、トン スケールの実験の必要性が実証されました。

本質的に「暗黒」物質を研究しているにもかかわらず、暗黒物質検出器の開発の将来は明るいようです。ArDM がメンバーだった「ダークサイド プログラム」は、キセノン液体の代わりに凝縮大気アルゴン (LAr) に基づく新しい実験を実施し、開発を続けているコンソーシアムです。^[3]最近のダークサイド装置の 1 つであるダークサイド 50 (DS-50) は、「2 相液体アルゴン時間投影チャンバー (LAr TPC)」と呼ばれる方法を採用しており、アルゴンと暗黒物質粒子の衝突によって生じる電界発光によって生じる衝突イベントの位置を 3 次元で特定できます。^[4]ダークサイド プログラムは、2015 年にその発見に関する最初の結果を発表しましたが、これはこれまでのところ、アルゴンに基づく暗黒物質検出で最も感度の高い結果です。^[5]将来の装置に使用される LAr ベースの方法は、キセノンベースの検出器の代替となり、近い将来、より感度の高い新しいマルチトン検出器につながる可能性があります。^[6]

• ArDM ウェブサイト