Calibrazione con 37Ar dell'esperimento XENON1T per la rivelazione diretta di materia oscura

The XENON1T experiment, located in the Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Italy, aims to directly detect weakly interacting particles, called WIMPs, that could constitute dark matter. The experiment is equipped with a dual-phase (liquid-gas) time projection chamber (TPC), containing about 2 tons of ultrapure liquid xenon. Elastic scattering of WIMPs, that make up dark matter galactic halo, with xenon nuclei in the detector should generate a nuclear recoil with production of scintillation photons and ionization electrons. The scintillation photons are detected by photomultipliers and produce a first signal (S1), while the electrons are drifted by an electric field up to the gaseous phase, where they are extracted and produce a second scintillation signal (S2). From the ratio of the S2 to S1 signals, it is possible to discriminate nuclear recoil from electronic recoil, that could be due to the background. It has been used, for the first time as a calibration source for XENON1T, the isotope 37Ar, which allows to study the detector response for electronic recoils, at lower energy compared to sources currently in use, such as 83mKr. This radioactive isotope decays depositing an energy of 2.82 or 0.27 keV, based on the shell in which the electronic capture takes place, and produce two characteristic peaks. An energy selection of argon events within detector and a selection of quality cuts, to remove background events, have been studied. Then it was observed the spatial distribution of the events to evaluate the variations of acceptance in the detector volume. For the 2.82 keV peak, it was possible to verify the validity of energy reconstruction and to evaluate light yield and charge yield in liquid xenon at this energy. For the 0.27 keV peak it is not possible to correctly reconstruct most of the events, since S1 is too small, so it was necessary to proceed with a S2-only analysis. In this way it was possible to investigate the efficiency of the detector and to evaluate the charge yield also at 0.27 keV. ​

L'esperimento XENON1T, situato presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso, in Italia, si propone di rivelare direttamente le particelle debolmente interagenti, denominate WIMP, che potrebbero costituire la materia oscura. L'esperimento è dotato di una camera a proiezione temporale (TPC) a doppia fase (liquido-gas) contenente circa due tonnellate di xenon liquido ultrapuro. L'interazione elastica delle WIMP, presenti nell'alone galattico di materia oscura, con i nuclei di xenon nel rivelatore dovrebbe generare un rinculo nucleare con produzione di fotoni di scintillazione e elettroni di ionizzazione. I fotoni di scintillazione vengono rivelati da fotomoltiplicatori e producono un primo segnale S1, mentre gli elettroni vengono derivati da un campo elettrico fino alla fase gassosa, dove vengono estratti e producono un secondo segnale di scintillazione S2. In base al rapporto tra i segnali è possibile distinguere se sia avvenuto un rinculo nucleare o un rinculo elettronico, dovuto al rumore di fondo. È stato usato, per la prima volta come sorgente di calibrazione per XENON1T, l'isotopo 37Ar, che consente di studiare la risposta del rivelatore per rinculi elettronici a energie non raggiungibili dalle sorgenti attualmente in uso, come il 83mKr. Tale isotopo decade depositando un'energia di 2.82 o 0.27 keV, in base alla shell in cui avviene la cattura elettronica, producendo due picchi caratteristici. E' stata studiata una selezione in energia degli eventi di argon all'interno del rivelatore e una selezione dei tagli di qualità per rimuovere gli eventi di background. Dopodiché è stata osservata la distribuzione spaziale degli eventi per valutare la variazione di accettanza nel volume del rivelatore. Per quanto riguarda il picco a 2.82 keV è stato possibile verificare l'efficacia della ricostruzione energetica e valutare i guadagni in carica e di fotoni a tale energia nello xenon liquido. Dato che per il picco a 0.27 keV invece non è possibile ricostruire correttamente la maggior parte degli eventi, essendo S1 troppo piccolo, è stato necessario effettuare un'analisi utilizzando solo S2. In questo modo si è potuto osservare l'efficienza del rivelatore e valutare il guadagno in carica anche a 0.27 keV.