極低温暗黒物質探索

極低温暗黒物質探索（CDMS ）は、弱い相互作用をする巨大粒子（WIMP）の形で粒子暗黒物質を直接検出するために設計された一連の実験です。ミリケルビン温度で半導体検出器のアレイを使用して、CDMSは、WIMP暗黒物質と地球上の物質の相互作用に関する最も感度の高い制限を設定することがあります（2018年時点では、CDMSの制限は最も感度が高くありません）。最初の実験であるCDMS Iは、スタンフォード大学キャンパスの地下のトンネルで実行されました。その後、スーダン鉱山でCDMS II実験が行われました。最新の実験であるSuperCDMS（またはSuperCDMSスーダン）は、ミネソタ州北部のスーダン鉱山の地下深くに設置され、2011年から2015年までデータを収集しました。一連の実験は、カナダのオンタリオ州サドベリー近郊のSNOLAB施設に設置された実験であるSuperCDMS SNOLABで継続され、2018年に建設が開始され、2020年代初頭にデータ収集を開始する予定です。

宇宙の大規模構造の観察により、物質が自身の重力の力で形成される時間がなかった非常に大きな構造に集約されていることがわかります。この質量は直接観察されていませんが、何らかの形の失われた質量がこれらのスケールでの重力の増加の原因であると一般に考えられています。これは問題です。宇宙の通常の物質は光を発するまで加熱されるため、この失われた質量が存在する場合、地球上では一般的に観察されない形であると一般に想定されています。

失われた質量の候補として、これまで数多くの提案がなされてきた。初期の候補には、ビッグバンで生成されたはずの重い重粒子が含まれていたが、最近の元素合成の研究により、これらのほとんどは除外されたようだ。^{[1]もう1つの候補は}、弱く相互作用する巨大粒子、または「WIMP」と呼ばれる新しいタイプの粒子である。名前が示すように、WIMPは通常の物質と弱く相互作用するため、簡単には見えない。^[1]

したがって、WIMP の検出には問題があります。WIMP の相互作用が非常に弱い場合、検出は非常に困難になります。CDMS などの検出器や類似の実験では、非常にまれな WIMP イベントを見つけるために、検出器の容積内で膨大な数の相互作用を測定します。

CDMS 検出器は、ゲルマニウムとシリコンの結晶基板内でのあらゆる粒子の相互作用によって生成されるイオン化とフォノンを測定します。 ^[1]これらの 2 つの測定により、各相互作用で結晶に蓄積されたエネルギーが決定されますが、イベントの原因となった粒子の種類に関する情報も得られます。イオン化信号とフォノン信号の比率は、原子電子 (「電子反跳」) と原子核 (「核反跳」) との粒子の相互作用によって異なります。バックグラウンド粒子相互作用の大部分は電子反跳ですが、WIMP (および中性子) は核反跳を生成すると予想されます。これにより、WIMP 散乱イベントは、望ましくないバックグラウンド相互作用の大部分と比較してまれではありますが、特定できます。

超対称性から、WIMP と原子核の間のスピンに依存しない相互作用の確率は、原子核内の核子の数に関係します。したがって、ゲルマニウムはシリコン検出器よりもゲルマニウム検出器と相互作用する可能性が高くなります。これは、ゲルマニウムの方がはるかに重い元素だからです。中性子は、シリコン検出器とゲルマニウム検出器の両方と、同様の確率で相互作用する可能性があります。シリコン検出器とゲルマニウム検出器間の相互作用率を比較することで、CDMS は中性子によって引き起こされる相互作用の確率を決定できます。

CDMS 検出器は、希釈冷凍機によってミリケルビン温度まで冷却されたゲルマニウムまたはシリコンのディスクです。粒子相互作用のフォノン信号を不明瞭にする熱雑音を制限するには、極低温が必要です。フォノン検出は、SQUIDアンプによって読み取られる超伝導 遷移エッジ センサー (TES)によって行われ、イオン化信号はFETアンプを使用して読み取られます。CDMS 検出器は、表面近くのバックグラウンド イベントを排除するのに重要なフォノン パルス形状のデータも提供します。

低温での半導体によるニュートリノのボロメータ検出は、最初にブラス・カブレラ、ローレンス・M・クラウス、フランク・ウィルチェクによって提案され、^{[2]マーク・グッドマンと}エドワード・ウィッテンによってWIMP検出のための同様の方法が提案されました。^[3]

CDMS I は、1998 年から 2002 年にかけてスタンフォード大学の浅い地下施設 (SUF、スタンフォード地下施設と呼ばれる) で WIMP 探索データを収集しました。CDMS II は (ミネソタ大学との協力により) 2003 年から 2009 年にかけてスーダン鉱山で運用されました (データ取得は 2006 年から 2008 年)。 ^[4]最新の実験である SuperCDMS (または SuperCDMS スーダン) は、インターリーブ電極、より大きな質量、さらに優れたバックグラウンド除去機能を備えており、2011 年から 2015 年にかけてスーダンでデータを取得しました。一連の実験は SuperCDMS SNOLAB で継続され、現在 (2018 年) SNOLAB で建設中であり、2020 年代初頭に完成する予定です。

一連の実験には、スーダンのスーパーCDMS検出器を低質量WIMPに特に敏感になるように設計された動作モード（CDMSliteモードと呼ばれる）で使用したCDMSlite実験も含まれます。CDMS実験では、複数の異なる検出器技術、特にそれぞれゲルマニウムまたはシリコンに基づく2種類の検出器が使用されているため、CDMS実験検出器の特定の構成から得られた実験と、このようにして収集されたさまざまなデータセットには、CDMS Ge、CDMS Si、CDMS II Siなどの名前が付けられることがあります。

2009年12月17日、研究チームは2007年8月8日と10月27日に、2つのWIMP候補が検出された可能性があると発表した。イベント数が少ないため、チームは中性子衝突などの背景ノイズによる誤検出を除外することができた。このようなノイズは25%の確率で2つ以上のイベントを生成すると推定されている。^[5]中性子背景を減らすためにポリエチレン吸収体が取り付けられた。^[6]

2011年に行われた、より低いエネルギー閾値を用いた解析では、低質量WIMP（M < 9 GeV）の証拠を探した。その限界は、CoGeNTと呼ばれる新しいゲルマニウム実験や、長年にわたるDAMA/NaI、DAMA/LIBRAの年間変調結果によって主張されたヒントを排除する。^[7]

2013年5月のPhysical Review Lettersでのデータをさらに分析した結果、ニュートラリーノを含むWIMPから予想される質量で、予想されるバックグラウンドが0.7のWIMPが3回検出されたことが明らかになりました。これらが異常なバックグラウンドノイズである可能性は0.19%あり、結果の信頼度は99.8%（3シグマ）になります。WIMPの決定的な証拠ではありませんが、これは理論に大きな重みを与えます。^[8]この信号はCDMS II実験で観測され、シリコン検出器で観測されたためCDMS Si信号（実験はCDMS Siと呼ばれることもあります）と呼ばれています。

2012年10月から2013年6月までのSuperCDMSの検索結果は2014年6月に発表され、WIMP質量30GeV未満の信号領域で11のイベントが見つかり、最近のCoGeNT低質量信号に不利なスピン非依存断面積の上限が設定されました。^[9]

SNOLABでは第2世代のSuperCDMSが計画されている。^{[10] [11]} これはあらゆる点でSuperCDMS Soudanから拡張されている。

• 個々の検出器ディスクは直径100 mm/3.9インチ×厚さ33.3 mm/1.3インチで、スーダンの直径76.2 mm/3インチ×厚さ25.4 mm/1インチのディスクの225%の体積です。^{[10] [11]}
• それらはさらに多く存在し、それぞれ6枚のディスクからなる31の「タワー」を収容できるスペースがあるが、^{[12] : 7}運用は4つのタワーのみで開始される。
• 検出器はSNOLABのより深い位置に設置されており、また建設時に放射能純度に細心の注意が払われているため、より良く遮蔽されている。^{[13] : 18}

検出器の質量の増加はそれほど大きくない。なぜなら、検出器の約25％がシリコン製であり、^{[12] : 7}重量は44％にすぎないからである。^{[14] : 1} この比率で31の塔すべてを埋めると、約222kgになる。

このプロジェクトは度重なる遅延に見舞われてきたが（当初の計画では2014年^[15]と2016年^{[13]に建設を開始する予定で}あった）、依然として活動を続けており^[14] 、 SNOLABにスペースが割り当てられ、2018年初頭に建設が開始される予定である。^{[10] : 9}

SNOLABのSuperCDMSの建設は2018年に始まり、2020年代初頭に運用が開始されました。当時のプロジェクト予算は3,400万米ドルでした。^[16]

2021年5月現在、SuperCDMS SNOLAB検出器は建設中であり、SNOLABの所在地と他の所在地の両方でプロトタイプ/テストハードウェアを使用した初期科学（またはプロトタイピング、または予備研究）が進行中です。完全な検出器は2023年末に科学データ取得の準備が整うと予想されており、科学運用は2023年から2027年の4年間（2回の別々の実行）続き、2027年以降も延長と開発が行われる可能性があります。^[17]

2022年5月現在、SuperCDMS SNOLAB検出器の設置が進行中で、2023年に試運転を開始する計画である。2024年初頭に検出器のフルペイロードによる最初の科学実験が行われ、2025年初頭に最初の結果が得られる予定である。^[18]

2023年6月、SuperCDMS SNOLABの設置が本格的に始まり、2024年に試運転が開始される予定でした。^[19]

第三世代のスーパーCDMSが構想されているが^[10]、まだ計画の初期段階にある。およそ1500kgの検出器質量を持つGEODM（暗黒物質のためのゲルマニウム観測所）は、SNOLABの「クライオピット」の設置に興味を示している。^[20]

検出器の質量を増やしても、不要なバックグラウンド検出が同様に増加しない限り、検出器の感度は高まるだけなので、各世代は前の世代よりもクリーンでシールドが強化されている必要があります。このように 10 段階に分けて構築する目的は、GEODM 設計を最終決定する前に必要なシールド技術を開発することです。

• SuperCDMS ウェブサイト