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Experimento ANAIS-112
Estado Tomando datos desde 03-08-2017
Objetivo Confirmar o refutar la señal positiva de modulación anual reportada por el experimento DAMA/LIBRA
Localización Laboratorio Subterráneo de Canfranc, España
Página web https://gifna.unizar.es/anais/

ANAIS (Annual modulation with NaI Scintillators) es un experimento de detección directa de materia oscura (MO) situado en el Laboratorio Subterráneo de Canfranc (LSC), en España.

El objetivo de ANAIS es confirmar o refutar la señal de DAMA/LIBRA[1]​[2]​[3]​ durante los últimos 20 años: la observación de una modulación anual con alto significado estadístico en la tasa de detección compatible con la que se espera que produjeran hipotéticas partículas masivas débilmente interaccionantes (WIMPs) distribuidas en el halo de la Vía Láctea, que podrían explicar la MO. Esta modulación anual tiene su origen en el movimiento de la Tierra acompañando al Sol en su viaje alrededor del centro de la galaxia: la Tierra suma o resta su velocidad a la del Sol con periodicidad anual. Los resultados negativos obtenidos por otros experimentos de detección directa de MO[4]​[5]​[6]​[7]​[8]​[9]​[10]​[11]​[12]​[13]​[14]​[15]​[16]​[17]​[18]​[19]​[20]​ hasta la fecha están en fuerte tensión con los de DAMA/LIBRA. Los escenarios convencionales que explican la MO mediante WIMPs no pueden explicar simultáneamente la observación de DAMA/LIBRA y los resultados negativos del resto de experimentos[21]​[22]​. Sin embargo, la comparación entre experimentos diferentes depende del modelo considerado para el WIMP y su distribución en el halo galáctico, siendo necesario un experimento con el mismo tipo de detector (y por tanto, material blanco) que DAMA/LIBRA, NaI(Tl), para realizar una comparación independiente del modelo de partícula y halo.

 

Montaje experimental y caracterización de los detectores[23]​[editar]

El montaje experimental de ANAIS-112 consta de 112.5 kg de centelleadores de NaI(Tl) repartidos en 9 módulos colocados en una configuración 3×3. Cada cristal es cilíndrico (4.75” de diámetro y 11.75” de largo), con una masa de 12.5 kg, y fueron producidos por Alpha Spectra Inc. en Colorado.

Entre las características más relevantes de los detectores de ANAIS-112 se encuentra su excelente calidad óptica. Esta propiedad, junto con la alta eficiencia cuántica de los tubos fotomultiplicadores (PMTs) Hamamatsu utilizados, permite una recolección de luz muy alta, al nivel de 15 fotoelectrones (phe) por keV en los nueve módulos[24]​. Las señales de los dos PMTs acoplados a cada módulo son digitalizadas a 2 GS/s en una ventana de 1.2 μs con alta resolución (14 bits). La señal de cada PMT dispara la cadena electrónica a nivel de phe, pero para que dispare un módulo de ANAIS se requiere que la coincidencia (AND) de los disparos de los dos PMTs de dicho módulo en una ventana de 200ns.  

Otra característica interesante del montaje es la ventana de Mylar situada en el medio de una de las caras laterales de los detectores, que permite calibrar simultáneamente los nueve módulos con fuentes gamma por debajo de 10 keV en un ambiente libre de radón. La calibración de la región de interés (ROI), de 1 a 6 keV, se lleva a cabo combinando la información de dichas calibraciones externas y de ciertos depósitos energéticos correspondientes a contaminaciones radiactivas de los propios cristales de NaI(Tl). Por un lado, ANAIS-112 se calibra cada dos semanas usando fuentes externas de 109Cd. Por otro lado, los eventos de fondo de la desintegración de 40K y 22Na en la masa de cristal, asociados a depósitos de energía de 3.2 y 0.9 keV, y seleccionados por coincidencia con un depósito de energía en un segundo módulo de 1461 y 1275 keV, respectivamente, también se utilizan para mejorar la precisión de la calibración hasta el umbral de energía.

El blindaje de ANAIS-112 consta de 10 cm de plomo arqueológico, 20 cm de plomo de baja actividad, una caja anti-radón (sometida a un continuo flujo de gas nitrógeno sin radón), y 40 cm de moderador de neutrones (una combinación de tanques de agua y bloques de polietileno). El sistema de veto activo de muones, compuesto por 16 plásticos centelleadores de plástico que cubren la parte superior y los lados de toda la configuración de ANAIS, es utilizado para identificar el flujo residual de muones durante la toma de datos de ANAIS-112.

ANAIS-112 fue instalado durante la primavera de 2017 y comenzó la toma de datos para detección de MO en el hall B del LSC el 3 de agosto de 2017 bajo 2450 m.w.e de roca. El "tiempo vivo" del experimento, útil para el análisis, es más del 95%, lo cual permite un ciclo de trabajo muy alto. El tiempo no aprovechable del experimento, o "tiempo muerto", se debe principalmente a calibraciones periódicas de los módulos.

El modelo de fondo radioactivo de ANAIS reproduce satisfactoriamente los datos medidos en todos los rangos de energía y en distintas condiciones de análisis, a excepción de la región energética entre [1-2] keV, donde no es capaz de explicar el exceso de ritmo medido satisfactoriamente[25]​. La contaminación del cristal supone la fuente dominante de fondo, siendo las contribuciones de 210Pb, 40K, 22Na, 3H las más relevantes en el ROI. Considerando de forma conjunta los nueve módulos de ANAIS-112, el fondo promedio en el ROI es 3.6 cpd/kg/keV tras los tres años de toma de datos[26]​. El fondo de DAMA/LIBRA-phase2 se sitúa por debajo de 0.80 cpd/kg/keV en el intervalo energético de [1-2] keV, por debajo de 0.24 cpd/kg/keV en el intervalo energético de [2-3] keV, y por debajo de 0.12 cpd/kg/keV en el intervalo energético de [3-4] keV[3]​.

Setting up ANAIS-112 at LSC.

Análisis de la modulación anual y resultados[editar]

El desarrollo de protocolos de filtrado basados en la forma del pulso y en la luz compartida por ambos PMTs ha sido crucial para cumplir el objetivo de ANAIS-112, ya que el ritmo de detección en el ROI está dominado por diferentes poblaciones de ruido. La estimación de las eficiencias correspondientes es muy importante, y se calcula utilizando eventos de 109Cd, 40K y 22Na . Más allá de 2 keV, la eficiencia toma un valor próximo al 100%, y por debajo de 2 keV la eficiencia decrece abruptamente hasta situarse en torno al 15% en un 1 keV, energía a la cual se fija el umbral de análisis[23]​.

El análisis de la modulación anual de ANAIS-112 se ha llevado a cabo mediante un análisis ciego, esto es, los eventos de un sólo depósito energético en el ROI no son utilizados en la selección de eventos. Hasta la fecha, se han llevado a cabo tres análisis de datos: a los 1.5 años[27]​, a los 2 años[28]​, y a los 3 años[26]​, lo cual corresponde a una exposición de 157.55, 220.69, and 313.95 kg×y, respectivamente. La búsqueda de modulación anual en ANAIS-112 se realiza en las mismas regiones exploradas por la colaboración DAMA/LIBRA, [1-6] keV y [2-6] keV, fijando el periodo a 1 año y el máximo de la modulación en el 2 de junio.

Con el objetivo de evaluar el significado estadístico de una posible modulación en los datos de ANAIS-112, el ritmo de los nueve detectores se calcula en bines temporales de 10 días, y se minimiza la función χ2 = ∑i (ni − μi)2/σ2i, donde ni es el número de eventos en el bin temporal ti (corregido por el tiempo vivo del experimento y por la eficiencia del detector), σi es la incertidumbre de Poisson correspondiente, debidamente corregida, y μi es el número de eventos esperado en dicho bin temporal, el cual depende del modelo de fondo y puede escribirse como: μi = [R0φbkg(ti) + Smcos(ω(ti − t0))]M∆E∆t.

En esta expresión, R0 representa el ritmo no modulado del experimento, φbkg la función de densidad de probabilidad (PDF) del tiempo de cualquier componente no modulada, Sm la amplitud de modulación, ω se fija a 2π/365 d = 0.01721 rad d−1, t0 a −62.2 d (el origen temporal se ha fijado al 3 de agosto y, por consiguiente, el máximo de la función coseno se sitúa en el 2 de junio), M la masa total del detector, ∆E la anchura del intervalo energético, y ∆t la anchura del bin temporal. Mientras que R0 es un parámetro libre del ajuste, Sm, o bien se fija a cero para la hipótesis nula, o bien se deja libre, positivo o negativo, para la hipótesis de modulación.

Los resultados analizados del experimento ANAIS-112 tras tres años de toma de datos son consistentes con la hipótesis nula en las regiones de energía [2- 6] keV y [1-6] keV, siendo los resultados reportados por los dos modelos de fondo utilizados (una sola exponencial, o una PDF basada en el modelo de fondo Monte Carlo) compatibles. La desviación estándar σ(Sm) es ligeramente menor cuando los detectores se consideran de forma independiente, tal y como se espera de acuerdo a un análisis previo de sensibilidad[29]​. En consecuencia, este ajuste es el elegido para citar los resultados finales del análisis de modulación anual y sensibilidad de ANAIS-112 para una exposición de 3 años. Los mejores ajustes son incompatibles con el resultado de DAMA/LIBRA a 3.3 y 2.6 σ en las regiones energéticas de [1-6] [2-6] keV.

Resultados de la modulación anual de ANAIS-112 en los tres años de datos. A su vez, se muestran resultados de DAMA/LIBRA y COSINE-100.
Sm (cpd/kg/keV)
Región energética ANAIS-112[26]​ DAMA/LIBRA[30]​ COSINE-100[31]​
[1-6] keV -0.0034 ± 0.0042 0.0105 ± 0.0011 -
[2-6] keV 0.0003 ± 0.0037 0.0102 ± 0.0008 0.0092 ± 0.0067

Los resultados de ANAIS-112 concuerdan con la sensibilidad estimada para la exposición acumulada, lo que apoya el objetivo proyectado por el experimento de alcanzar una sensibilidad de 3σ al resultado de DAMA/LIBRA en 5 años de toma de datos.

Se han llevado a cabo varios test de consistencia del resultado, tales como cambiar el número de detectores que intervienen el el análisis, considerar únicamente los dos primeros años de datos o los dos últimos, o cambiar el tamaño de los bines temporales, que verifican la ausencia de incertidumbres sistemáticas relevantes. El desarrollo de un gran número de pseudo-experimentos Monte Carlo generados a partir del modelo de fondo garantiza que el ajuste no está condicionado. A su vez, se ha realizado un análisis de frecuencia, pudiendo concluir que en el rango de frecuencias analizado en los datos de ANAIS-112 no hay señal de modulación con significado estadístico[26]​.

Perspectivas[editar]

La principal limitación de la sensibilidad de ANAIS-112 es el alto ritmo de fondo medido en el ROI, en particular en la región de 1 a 2 keV. En este contexto, el análisis de técnicas de machine learning basadas en árboles de decisión (Boosted Decision Trees), actualmente en curso, podría mejorar los procedimientos de filtrado de sucesos de ruido. Los resultados preliminares apuntan a una mejora significativa de la sensibilidad del experimento[32]​. Extender la toma de datos un año más, hasta agosto de 2023, podría permitir confirmar o refutar el resultado de DAMA/LIBRA a 4σ.

Un efecto sistemático que podría afecta la comparación directa entre los resultados de modulación anual de DAMA/LIBRA y ANAIS es una posible respuesta diferente a los depósitos energéticos de las partículas de materia oscura entre ambos detectores, ya que la calibración en energía de estos experimentos se realiza haciendo uso de fuentes gamma, que producen retrocesos electrónicos y no retrocesos nucleares. La producción de centelleo de un retroceso nuclear como el que se espera que produzcan los WIMPs es muy inferior a la correspondiente para un electrón de la misma energía. Se llama factor de eficiencia relativa de centelleo, o quenching factor (QF), a esta medida de la pérdida de energía visible en forma de centelleo. Tras las medidas realizadas en las instalaciones del TUNL, el QF para los cristales de ANAIS-112 está siendo determinado[33]​. Paralelamente, se está llevando a cabo un programa de calibración del experimento con fuentes de neutrones onsite en el LSC.

Los datos de ANAIS-112 están disponibles de ser solicitados. Tras los cinco años de toma de datos programados, los datos se harán públicos.

Enlaces externos[editar]

Referencias[editar]

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