Konekäännetty (ChatGPT) alkuperäisestä julkaisusta.

Aiemmassa blogikirjoituksessa esittelin pimeän aineen perusteita ja suoran havainnoinnin kokeita, jotka pyrkivät havaitsemaan pimeän aineen hiukkasten vuorovaikutuksen tavallisten atomien kanssa ilmaisimissa. Kirjoitushetkellä HIP oli juuri liittynyt COSINUS-yhteisöön. COSINUS-koe oli vielä kehitysvaiheessa, ja kokeellisen laitoksen rakentaminen Gran Sasson kansallisessa laboratoriossa (LNGS) oli juuri alkamassa.

Huhtikuun 18. päivänä juhlimme kokeen virallista avaamista, ja tilaisuudessa oli mukana tieteellisen ja poliittisen yhteisön edustajia osallistuvista maista. Kokeen puheenjohtaja Florian Reindl ja tekninen koordinaattori Karoline Schäffner, COSINUS-kokeen idean takana olevat kaksi henkilöä, antoivat katsauksen tähänastisesta matkasta ja odotuksista tuleville vuosille.

Hilavärähtelyjen havaitseminen – RemoTES

Kuten aiemmassa blogimerkinnässä käsiteltiin, COSINUS-kokeen pääuutuus muihin NaI-ilmaisimiin verrattuna on ilmaisimen kalorimetrinen toiminta. NaI-kiteestä syntyvän skintillaatiovalon lisäksi COSINUS mittaa myös sirontatapahtumassa atomien liikkeeseen siirtyneen energian. Tämä saavutetaan siirtymäreunatunnistimella (TES), joka absorboi sirontatapahtuman aikana syntyneet atomihilan värähtelyt eli fononit. TES on suprajohdefilmi, jota pidetään siirtymälämpötilassa suprajohtavan ja normaalin johtavuuden tilojen välillä. Absorboimalla fononeiden kuljettama energia TES lämpenee, mikä lisää sen vastusta. Tätä vastuksen lisääntymistä voidaan lukea herkällä magneettikentän mittarilla, jota kutsutaan SQUIDiksi (superconducting quantum interference device).

Tätä tekniikkaa, jossa skintilloivaa kidettä käytetään kalorimetrina TESseillä varustettuna, on käytetty menestyksekkäästi esimerkiksi CRESST-kokeessa eri kohdemateriaaleilla, mutta COSINUS-kokeessa suunnitellun NaI-kiteen on todettu aiheuttavan ylimääräisiä komplikaatioita tähän tarkoitukseen. NaI on hygroskooppinen, eli se imee itseensä ympäristön kosteutta ja rappeutuu helposti normaaleissa ilmasto-olosuhteissa. Tämä tarkoittaa, että TES-ilmaisinten valmistuksessa käytetyt standardimenetelmät eivät sovellu suoraan NaI-kiteelle. COSINUS-kokeen alkuperäinen suunnitelma oli käyttää tukikiteitä NaI-kohteiden ja TES-laitteiden välissä, mutta tämä osoittautui vaikeuttavan fononien kulkeutumista TESiin, mikä vaikeutti fononsignaalin lukemista. Tämän ongelman ratkaisemiseksi kehitettiin uusi instrumentointimenetelmä, nimeltä remoTES, jossa TES on yhdistetty NaI-kohteeseen ohuella kultalangalla ja kultaliitoksella. Tätä suunnitelmaa on nyt onnistuneesti käytetty COSINUS:n prototyyppi-ilmaisimessa.

HIP:n toiminta COSINUS-kokeessa

Tällä hetkellä HIP-tiimissä COSINUS-kokeessa on kolme henkilöä: tohtorikoulutettava Alex Stendahl, yliopistotutkija Matti Heikinheimo ja professori Katri Huitu. Myös HIPin ilmaisinlaboratorio osallistuu kokeeseen. Dosentti Matti Kalliokoski ja laboratorioteknikko Raimo Turpeinen ovat suunnitelleet magneettisuojajärjestelmän, joka on tarpeen herkkien TES-laitteiden vakaiden toimintaolosuhteiden varmistamiseksi. Järjestelmä asennetaan tulevina kuukausina. Alex Stendahl on analysoinut neutronikalibrointimittauksissa kerättyä dataa NaI-kiteistä TUNL-laboratoriossa Yhdysvalloissa. Näiden mittausten tarkoituksena on määrittää kiteiden vaimennuskerroin (quenching factor) ja kuinka tämä kerroin riippuu esimerkiksi taliumpitoisuudesta kiteissä. Vaimennuskerroin määritellään skintillaattorin valon määrän ydinrekyylissä suhteena vastaavaan valon määrään elektronisironnassa. Rekyylitapahtuman energian mittakaavan kalibrointi scintillaattoreissa suoritetaan yleensä elektronirekyylilähteillä, kun taas COSINUS etsii pimeän aineen signaalia ydinrekyyleistä. Tämän vuoksi vaimennuskerrointa tarvitaan energiaskaalan muuttamiseksi ydinrekyylienergioiksi, ja epävarmuudet vaimennuskertoimessa muuttuvat epävarmuuksiksi rekyylenergia-asteikossa, mikä puolestaan vaikuttaa signaalispektrin tulkintaan pimeän aineen hiukkasen massana. COSINUS pystyy mittaamaan rekyylenergian suoraan fononikanavan kautta kryogeenisissä lämpötiloissa. Tämä ei kuitenkaan ole mahdollista muissa NaI-kokeissa, jotka toimivat huoneenlämpötilassa. Vaimennuskertoimen tuntemus on olennainen tieto eri kokeiden tulosten vertailua varten, ja COSINUS-analyysi tarjoaa arvokasta tietoa tähän tarkoitukseen.

Matti Heikinheimo ja Alex Stendahl valmistelevat myös mallista riippumatonta menetelmää, joka helpottaa COSINUS-tulosten vertailua DAMA:n vuotuisen modulaatiosignaalin kanssa. Tämän työn tavoitteena on arvioida kahden datasarjan yhteensopivuutta minimivaatimuksin esimerkiksi vaimennuskertoimesta, pimeän aineen mallista tai pimeän aineen jakautumisesta galaksissa. On tiedossa, että DAMA:n signaali on yhteensopimaton esimerkiksi XENON- ja L-Z-kokeiden tulosten kanssa oletetuilla spin-riippumattomilla pimeän aineen ja nukleonien sirontamalleilla ja pimeän aineen halo-mallilla, mutta näiden kokeiden eri kohdemateriaalien vuoksi täysin mallista riippumatonta vertailua on vaikea suorittaa. Tavoitteemme on välttää nämä vaikeudet oletuksella, että pimeän aineen hiukkaset siroavat yhtä tiuhaan massayksikköä kohti DAMA:n ja COSINUS:n NaI-kiteissä.

COSINUS alkaa kerätä tieteellistä dataa ensi vuoden alussa. Ensimmäisiä fysiikan tuloksia odotetaan vuoden sisällä tästä, ja noin kolmen vuoden aikana datankeruun aloittamisesta mallista riippumaton vertailu DAMA:an on mahdollista.

Matti Heikinheimo
Yliopistotutkija, HIP-projekti (HEP BSM)
Helsingin yliopisto ja Fysiikan tutkimuslaitos