Collaborative Research: The DarkSide Dark-Matter Search Using Liquid Argon

合作研究:使用液氩进行暗物质搜索

基本信息

项目摘要

A large body of astronomical observations, including galactic rotation curves, strong gravitational lensing, and the anisotropy of the cosmic microwave background, indicates that known matter only accounts for a small fraction of the observed mass-energy of the Universe. A strong candidate for the remaining mass is weakly interacting Dark Matter particles with properties different from ordinary matter. Direct (non-gravitational) detection of dark matter would be a transformational discovery and would represent a watershed moment in the history of science, opening the gates to the investigation of the dark universe. The goal of this award is the testing, on-site installation, commissioning, and transitioning to operations of DarkSide-20k (DS-20k), an experiment capable of pushing the sensitivity of direct dark matter searches beyond that of any current or presently funded experiment. Broader scientific and technological impacts from the project include, among others: the production of low-radioactivity underground argon (UAr) for DS-20k and for nuclear test ban verification and radiometric dating; the continued study of the underground gas source discovered during the UAr exploration, a source which supplies 15 % of the current U.S. helium consumption; and the continued development of 3Dπ, a LAr-based TOF-PET system that can enhance cancer screening while lowering radiation dose.A leading dark matter candidate is a weakly interacting massive particle, or WIMP, a thermal relic of the Big Bang that has a sub-electroweak-scale self-annihilation cross section and a mass in the GeV/c2 to TeV/c2 range. The motion of galactic halo WIMPs relative to a detector on Earth could result in WIMP-nucleus elastic collisions detectable by a low-background, low-energy-threshold detector capable of unambiguously identifying a small number of nuclear recoils from WIMP collisions over the course of a very large exposure. Thanks to its excellent ionization response and unique scintillation light emission characteristics, liquid argon can provide outstanding sensitivity for WIMP-nuclear collisions and strong background suppression. The U.S. NSF groups involved in this program have led the conception and development of the DarkSide-20k liquid argon dark matter search. With support from a separate Mid-scale award, they are responsible for the construction and delivery of the most critical DS-20k components: the liquid argon time projection chamber (LAr TPC) that serves as the heart of the DS-20k dark matter detector along with its critical ancillary components, including the high-voltage delivery system, and the associated cryogenic, purification, and calibration systems. The U.S. NSF groups are also leading the activities for the procurement of the required ultra-low radioactivity argon, which is extracted from a special underground source in Colorado, with support from other US and international funding agencies (U.S. Department of Energy, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare of Italy, and Canada Foundation for Innovation). This award will support the U.S. groups for the final testing, on-site installation, commissioning, and transition to operations of the DS-20k detector and preparation for science analyses. The DarkSide-20k experiment will utilize a two-phase time projection chamber with a 50-tonne fill (20-tonne fiducial) to extend the exploration for dark matter, reaching, in a 10 years run, a cross section of 4.9×10−48 cm2 for a 90 % C.L. exclusion and 1.6×10−47 cm2 at a 5 σ discovery significance for a 1 TeV/c2 WIMP, well beyond any current or presently funded experiment. This will lead to either discovery, confirmation, or exclusion of the WIMP dark matter hypothesis down to the level where coherent scatters from atmospheric neutrinos become an unavoidable background. DarkSide-20k will also be sensitive to a galactic supernova neutrino burst originating anywhere in the Milky Way Galaxy.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
大量的天文观测,包括星系旋转曲线、强引力透镜和宇宙微波背景的各向异性,表明已知物质仅占观测到的宇宙质能的一小部分。剩余质量是弱相互作用的暗物质粒子,其性质不同于普通物质,对暗物质的直接(非引力)探测将是一个变革性的发现,并将代表科学史上的一个分水岭时刻,打开通向暗物质的大门。该奖项的目标是对 DarkSide-20k (DS-20k) 进行测试、现场安装、调试和过渡到运行,该实验能够将直接暗物质搜索的灵敏度推向更高水平。该项目的任何当前或目前资助的实验的更广泛的科学和技术影响包括:用于 DS-20k 的低放射性地下氩气(UAr)的生产以及继续研究的核试验禁令验证和放射性测年; UAr 勘探期间发现的地下气源,该气源供应美国当前氦气消耗量的 15%;以及 3Dπ 的持续开发,这是一种基于 LAr 的 TOF-PET 系统,可以在降低辐射剂量的同时增强癌症筛查。主要的暗物质候选者是一种弱相互作用的大质量粒子(WIMP),它是大爆炸的热遗迹,具有亚电弱尺度的自湮灭截面和质量GeV/c2 至 TeV/c2 范围内的星系晕 WIMP 相对于地球上的探测器的运动可能会导致 WIMP 核弹性碰撞,而低背景、低能量阈值探测器可以明确识别少量的 WIMP。由于其出色的电离响应和独特的闪烁发光特性,液氩可以为大范围暴露过程中的 WIMP 碰撞提供出色的灵敏度。 WIMP 核碰撞和强背景抑制 参与该计划的美国国家科学基金会 (NSF) 小组在单独的中型奖项的支持下领导了 DarkSide-20k 液氩暗物质搜索的构思和开发,并负责建造。以及交付最关键的 DS-20k 组件:作为 DS-20k 暗物质探测器及其关键辅助组件核心的液氩时间投影室 (LAr TPC),包括高压输送系统以及相关的低温、净化和校准系统,美国国家科学基金会 (NSF) 小组还牵头采购所需的超低放射性氩气,这些氩气是从科罗拉多州的一个特殊地下来源中提取的。在其他美国和国际资助机构(美国能源部、意大利国家核能研究所和加拿大创新基金会)的支持下,该奖项将支持美国团体进​​行最终测试, DS-20k 探测器的现场安装、调试和过渡以及科学分析的准备 DarkSide-20k 实验将利用具有 50 吨填充物(20 吨基准)的两相时间投影室来进行。扩大对暗物质的探索,在 10 年内达到 4.9×10−48 cm2 的横截面,排除 90% 的 C.L. 1.6×10−47 cm2 在 5 σ 下对于 1 TeV/c2 WIMP 的发现意义远远超出任何当前或目前资助的实验 这将导致 WIMP 暗物质假说的发现、确认或排除达到该水平。来自大气中微子的相干散射成为不可避免的背景,DarkSide-20k 也将对起源于银河系任何地方的银河系超新星中微子爆发敏感。授予 NSF 的法定使命,并通过评估反映使用基金会的智力优点和更广泛的影响审查标准,被认为值得支持。

项目成果

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