Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Астрономические наблюдения последних десятилетий свидетельствуют о наличии во Вселенной небарионной темной материи, которая проявляет себя только через гравитационное взаимодействие и является, таким образом, “скрытой”. Объяснение ее природы, детектирование и последующее изучение свойств частиц, из которых она состоит, является фундаментальной задачей современного естествознания. Наиболее обоснованной и естественной в настоящее время является гипотеза, согласно которой темная материя состоит из массивных слабовзаимодействующих нерелятивистских частиц WIMPов (Weakly Interacting Massive Particles). Исследования, направленные на поиск частиц темной материи, в последние годы заметно прогрессируют: увеличивается масса мишеней детекторов, растет чувствительность экспериментов. Интенсивные поиски гипотетических частиц ведутся по процессам упругого рассеяния на атомных ядрах путем регистрации ядер отдачи. Однако сечение взаимодействия WIMP с ядром чрезвычайно мало, и для выделения ядер отдачи в детекторе требуются чрезвычайно чувствительные детекторы и низкофоновые условия, создаваемые в подземных лабораториях с защитой от влияния космического излучения. В рамках настоящего проекта реализуется комплекс работ в сфере развития технологий регистрации частиц темной материи в жидкоаргоновых детекторах большой массы. В текущем году участниками 4-х экспериментов DarkSide, DEAP-3600, ArDM и MiniCLEAN было инициировано создание международного проекта Global Argon Dark Matter Collaboration (GADMC). Главной задачей проекта GADMC является объединение ресурсов и использование накопленного опыта в создании и эксплуатации жидкоаргоновых детекторов для разработки установки по поиску темной материи следующего поколения с рекордной массой аргоновой мишени ~ 300 тонн. Коллектив нашего проекта принимает активное участие в экспериментах DarkSide и DEAP-3600, входящих в проект GADMC. В текущем году на установке DarkSide-50 был продолжен набор и анализ данных эксперимента для поиска частиц темной материи. В 2 раза увеличена статистика набранных для анализа событий (по сравнению с данными в предыдущих публикациях результатов эксперимента DarkSide-50). Особое внимание было уделено анализу сигналов в области малых энергий регистрируемых ядер отдачи, соответствующих наблюдаемому электролюминесцентному сигналу в диапазоне 1-10 электронов, вытянутых с трека ионизации в газовую фазу детектора. Данный диапазон энергий позволяет провести поиск частиц темной материи в области малых масс (0.5 — 6 ГэВ /c^2), для которой детектор DarkSide-50 имеет наилучшую в мире чувствительность. Для описания процессов при регистрации рекордно низких энерговыделений в двухфазных жидкоаргоновых детекторах была разработана и создана полуэмпирическая модель одноэлектронных импульсов, образующихся на границе газ-жидкость. Для учета эффекта Мигдала при рассеянии частиц темной материи в эксперименте Darkside-50 нами был разработан программный модуль MIGDAL, рассчитывающий энерговыделение в жидком аргоне при передаче фиксированного импульса ядру аргона. Разработанный нами программный пакет MIGDAL позволяет существенно улучшить чувствительность установки к сечению взаимодействия WIMP на ядрах аргона для малых масс частиц темной материи (0.5-6 ГэВ/c^2). Выполнен цикл работ по сборке, отладке и физическому пуску пилотной двухфазной время-проекционной камеры (TPC) DarkSide-Proto с аргоновой мишенью. ТPC камера DarkSide-Proto имеет размеры чувствительной области 25*25*12 cм^3 и её основной задачей является испытание работы фото-детекторных элементов (PDE), состоящих из матриц кремниевых фотоумножителей (SiPM), специально разработанных в компании FBK для эксперимента DarkSide и предназначенных для работы при криогенных температурах. Закончены работы по созданию лабораторной базы для проверки и отбора матриц кремниевых фотоумножителей (SiPM), которые будут использованы в качестве фотоприемников установки DarkSide-20k. В НИЦ «Курчатовский институт» запущен в эксплуатацию стенд для изучения характеристик кремниевых фотоумножителей при температурах жидкого азота. Для измерения абсолютной эффективности регистрации нейтронов в детекторе Darkside (TPC-камере) разработано миниатюрное регистрирующее устройство, состоящее из сцинтилляционного кристалла ZnSe(Tl), кремниевого фотоумножителя и источника спонтанного деления 252Cf небольшой активности (~20 делений/с). Предложена к реализации и рассчитана принципиально новая схема калибровки жидкоаргоновой TPC-камеры с Am-Be и Am-С13 источниками нейтронов. Для регистрации рассеянного на ядрах аргона нейтрона использован детектор быстрых нейтронов на основе кристаллов стильбена с размерами (либо детектор на основе жидкого сцинтиллятор из псевдокумола, аналогичный использовавшемуся в детекторе Борексино) с разделением по временной форме импульсов сигналов при регистрации протонов отдачи (детектирование рассеянного нейтрона) и гамма-квантов. Расположение детектора быстрых нейтронов под разными углами относительно прямой между центром источника и центром аргоновой TPC камеры на совпадениях со срабатыванием TPC позволяет изучить отклик TPC для малых энергий ядер отдачи. Координата события рассеяния нейтрона на ядре аргона при такой калибровке фиксируется благодаря возможности трехмерной (либо двухмерной при очень малых энергиях) пространственной реконструкции событий в двухфазной аргоновой TPC. В рамках сотрудничества с коллаборацией DarkSide, коллектив проекта принимает активное участие в эксперименте DEAP-3600 по поиску темной материи. Детектор DEAP-3600 – сцинтилляционный детектор с жидким аргоном, работающий в подземной низкофоновой лаборатории SNOLAB (Канада). Мишенью детектора является 3280 кг жидкого аргона, что на сегодняшний день является рекордной величиной для аргоновых детекторов. В этом году продолжался набор и анализ экспериментальных данных для поиска частиц темной материи. Участники в течение года регулярно проводили суточные (24 часа) онлайн-дежурства на установке DEAP-3600, в ходе которых проводились работы по контролю криогенной системы, предварительному анализу качества и стабильности собранных данных и калибровкам детектора. Дежурства осуществлялись в режиме дистанционного доступа к управлению установкой DEAP-3600 через интернет. С этой целью на площадке НИЦ «Курчатовский институт» был оборудован Центр управления удаленным экспериментом, разработано программное обеспечение для непрерывной связи по интернет-каналу с электронно-измерительным комплексом установки. Вывод информации о работе детектора, текущих технических характеристиках, сигналах, статус криогенной системы детектора и пр. осуществляется на крупномасштабных экранах online-мониторов. Разработанное программное обеспечение позволяет удаленно управлять установкой (в том числе, параметрами криогенной установки и параметрами детектора) и оперативно контролировать качество набираемых данных. Проведенные работы обеспечили более тесный контакт с экспериментом и обучение молодых участников проекта. Для эффективной дискриминации фоновых событий в детекторе DEAP-3600 разработан программный пакет анализа данных эксперимента с применением алгоритмов машинного обучения. Данный пакет объединяет несколько различных подходов для классификации событий (деревья решений, нейронная сеть и т. д.), благодаря чему удалось существенно улучшить классификацию и режекцию фоновых событий в детекторе. Количество отобранных для анализа событий, сохранившихся после вычитания фона, составило 48% (примерно в 2 раза больше, чем при старых критериях отбора) при режекции на уровне 99.9%. Использование алгоритмов машинного обучения обеспечило более чем двукратное увеличение статистики эксперимента.

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Одним из перспективных способов поиска слабо-взаимодействующих массивных частиц Темной материи (Weakly Interacting Massive Particles, WIMP) является прямое детектирование их рассеяния на ядрах мишени в низкофоновых установках размещённых в подземных лабораториях. Прямые эксперименты по регистрации частиц Темной материи существенно расширяют и дополняют исследуемый диапазон возможных для наблюдения масс WIMP. Наиболее чувствительным инструментом для прямого поиска WIMP в настоящее время являются детекторы на основе жидких благородных газов (Ar и Xe). В текущем году в проекте РНФ были проведены поиски частиц Темной материи в международных экспериментах на установках DarkSide и DEAP-3600 с жидкоаргоновыми мишенями. В этом году был закончен эксперимент DarkSide-50 в подземной низкофоновой лаборатории Гран-Сассо (Италия) с массой аргоновой мишени 47 кг и проведен анализ набранных данных. В результате достигнута рекордная в мире чувствительность к сечению спин-независимого взаимодействия WIMP c нуклонами для частиц WIMP с массой < 10 Гэв/с^2 (сечение ~ 10^-42 cм^2 для масс ~ 3 ГэВ/c^2). Группа анализа данных применила методы машинного обучения и создала модель на основе свёрточных нейронных сетей для улучшения точности пространственной реконструкции событий и отбора сигналов по временной форме сцинтилляционного импульса в низкоэнергетической области поиска скрытой массы. Учитывая достигнутую уникальную чувствительность установки DarkSide-50 при регистрации рекордно малых энерговыделений в мишени детектора были проведены исследования возможности регистрации нейтрино от вспышки Сверхновой звезды в детекторе DarkSide-20k с чувствительной массой аргоновой мишени 20 тонн в реакции упругого когерентного рассеяния нейтрино на ядрах аргона. В расчетах использована физическая модель детектора, созданная на базе пакета Монте-Карло с учетом конкретных достигнутых характеристик детектора DarkSide-50. На основе многолетнего опыта эксплуатации установки DarkSide-50 разработана конструкция низкофонового жидкоаргонового детектора DArT для определения содержания радиоактивного изотопа 39Ar в радиационно чистом аргоне. Выполнены работы по сборке и испытанию двух пилотных двухфазных время-проекционных камер (TPC) с массами аргоновой мишени 10 кг (DarkSide-Proto) и 1 тонна (DarkSide-LowMass) с целью подготовки к запуску крупномасштабного низкофонового экспериметна DarkSide-20k. Основной задачей DarkSide-Proto является испытание работы фото-детекторных элементов (PDE), состоящих из матриц кремниевых фотоумножителей (SiPM) NUV-HD-Cryo и их электронных трактов. Эти SiPM специально разработаны компанией FBK для эксперимента DarkSide и предназначены для работы при криогенных температурах. SiPM объединены (по 6∙4=24 шт.) в единый PDE, площадью 5∙5 см^2. В пилотную камеру было установлено 25 модулей фото-детекторных элементов для регистрации сцинтилляционных и электролюминесцентных фотонов, и отлажен электронный тракт для сбора информации с TPC. Впервые была доказана возможность использования в технике физического эксперимента матриц кремниевых фотоумножителей с большой площадью чувствительной поверхности вместо традиционных фотоэлектронных умножителей для регистрация фотонов. Продолжались работы по сборке пилотной двухфазной жидкоаргоной время-проекционной камеры с массой мишени 1 тонн DarkSide-LowMass, оптимизированной для поиска частиц WIMP с малыми массами (ниже 10 ГэВ/с^2) по сигналам электролюминесценции от электронов, вытянутых с трека из жидкой в газовую фазу TPC. Участниками проекта РНФ были разработаны и опробованы пакеты анализа данных (в том числе и пакет реконструкции координат событий в TPC c использованием алгоритмов машинного обучения), проанализированы результаты калибровок детектора DarkSide-Proto и смоделированных в пакете Монте-Карло данные детектора DarkSide-LowMass. Были проведено исследование характеристик матриц кремниевых фотоумножителей (SiPM) для детектирования частиц Темной материи в детекторах с жидким аргоном. На экспериментальном стенде НИЦ “Курчатовский институт” проведено исследование и сравнение технических характеристик SiPM различных производителей при температурах жидкого азота для их использования в качестве фотоприемных элементов в тагированных источниках гамма-квантов и нейтронов в эксперименте DarkSide. Участниками проекта РНФ впервые были проведены расчеты радиогенных фонов в детекторе DarkSide-20k, возникающих в ранее не учитываемом канале реакций (альфа, n-gamma) для основных конструкционных материалов детектора DarkSide-20k. В результате вычислений было показано, что одним из источников нейтронного фона в детекторе является материал его внешнего криостата, разработанного в ЦЕРН на основе прототипа криостата ProtoDune. Выработаны рекомендации по замене части конструкционных материалов внешнего криостата без изменения его конструкции. Обнаружен также возможный способ снижения фоновых событий в TPC от (альфа, n) реакций на ядрах аргона, заключающийся в нанесении тонкого защитного покрытия на элементы детектора (в частности элементы электронного тракта SiPM c повышенным содержанием примесей естественной радиоактивности). Коллектив проекта активно участвовал в работах по поиску частиц Темной материи в эксперименте DEAP-3600, используя накопленный опыт эксплуатации детектора DarkSide-50, развитые методики и программное обеспечение для обработки и анализа данных. В настоящее время в эксперименте DEAP-3600 установлен лучший в мире предел на спин-независимое сечение рассеяния частиц Темной материи на аргоновой мишени – 3,9∙10^-45 см^2 для массы WIMP 100 ГэВ/с^2 на уровне достоверности 90%. Зоной ответственности нашей группы в эксперименте являются: анализ и обработка данных эксперимента, разработка методов подавления фона установки (в том числе с применением алгоритмов машинного обучения), расширение области поиска частиц Темной материи с использованием эффективной теории поля и других возможных моделей взаимодействия Темной материи с веществом, проведение плановых дежурств на установке. Конструкция детектора DEAP-3600 такова, что одним из основных источников фона являются сцинтилляционные сигналы альфа-распадов изотопа 210Po на внутренних поверхностях горловины детектора. Для подавления данной компоненты фона был разработан программный пакет анализа данных эксперимента с применением алгоритмов машинного обучения. Удалось существенно улучшить классификацию и режекцию фоновых событий в детекторе. На основе анализа данных эксперимента DEAP-3600 и его калибровок была разработана физическая модель для описания формы сцинтилляционного импульса в жидком аргоне с учетом конкретных характеристик детектора. Разработанная модель учитывает: сцинтилляции в жидком аргоне с учетом так называемой промежуточной компоненты высвечивания, временные характеристики сместителя спектра TPB, в том числе задержанное переизлучение ультрафиолетовых фотонов на миллисекундном временном интервале, и отклик фотоумножителей детектора. Впервые обнаружено, что около 10% интенсивности переизлученного в TPB света приходится на долю долгоживущей компоненты. Молодыми участниками проекта выполнен анализ данных эксперимента DEAP-3600 с учетом распределения Темной материи по скоростям в нашей Галактике в рамках моделей эффективной теории поля, что позволило ограничить область возможных параметров существующих моделей взаимодействия частиц Темной материи с веществом. Заявленные в проекте РНФ 16-12-10369П задачи за отчетный период выполнены полностью. По материалам проведенных в проекте РНФ работ опубликовано 6 статей с благодарностями Российскому Научному Фонду, из них 2 в журналах квартиля Q1.