[PPT] - C r y s t a l d e f e c t s a s L D M d e t e PowerPoint Presentation

SLIDE 1

R a n n y B u d n i k

Y . Mo s b a c h e r , M. We i s s , N . P r i e l , H . L a n s ma n ( WI S ) A . K r e i s e l , I . E l i y a h u ( S N R C ) T . V

l

a n s k y , O . C h e c h n

v

s k i , O . S l

n

e ( T A U ) D e p a r t me n t

f

P a r t i c l e P h y s i c s a n d A s t r

p

h y s i c s We i z ma n n I n s t i t u t e

f

S c i e n c e

C r y s t a l d e f e c t s a s L D M d e t e c t

r

s

SLIDE 2

C

l
r

C e n t e r s ( L D M F e r mi l a b )

T h e C

l
r
f

F a n c y S a p p h i r e

D e v e l

p

i n g a n

v

e l l i g h t d a r k ma t t e r d e t e c t

r

A l l a r e A l

2

O

3

> 9 9 . 9 9 %

SLIDE 3

C

l
r

C e n t e r s ( L D M F e r mi l a b )

C

l
r

C e n t e r s

I

t i s k n

w

n f

r

ma n y y e a r s t h a t r a d i a t i

n

d a ma g e g i v e s c

l
r

t

t

r a n s p a r e n t w i n d

w

s n e a r e . g . n u c l e a r p

w

e r p l a n t s

T

h e r e a r e v a r i

u

s me c h a n i s ms c a u s i n g t h i s e f f e c t , a n d t h e i n c i d e n t r a d i a t i

n

c a n b e g a mma , n e u t r

n
r

c h a r g e d p a r t i c l e s

S

i mi l a r t

t

h e w e l l

s

t u d i e d N V

c

e n t e r , h

w

e v e r w i t h a h u g e v a r i e t y

SLIDE 4

C

l
r

C e n t e r s ( L D M F e r mi l a b )

F

c

e n t e r i n a n u t s h e l l

E

a c h t y p e

f

d e f e c t h a s i t s

w

n t y p i c a l a b s

r

p t i

n

a n d e mi s s i

n

w a v e l e n g t h s

B

y t h i s me c h a n i s m a t r a n s p a r e n t me d i u m b e c

me

s c

l
r

e d

E

l a s t i c c

l

l i s i

n

ma y p r

d

u c e d i s p l a c e me n t ( g a mma , e l e c t r

n

, n e u t r

n

a n d i

n

s )

SLIDE 5

C

l
r

C e n t e r s ( L D M F e r mi l a b )

F

c

e n F

c

e n t e r e r A v a c a n c y f i l l e d b y a n e l e c t r

n

c a n e x h i b i t f l u

r

e s c e n c e .

K n

w

n s t a t e s

f

I

n

i c c r y s t a l s

SLIDE 6

C

l
r

C e n t e r s ( L D M F e r mi l a b )

H

w

c a n w e u s e i t ?

R e a l i s t i c e s t i ma t e s s h

w

t h a t s u c h a s e t u p c a n b e a b l e t

d

i s t i n g u i s h a s i n g l e n e w s i t e i n 1

5

e x i s t i n g p e r r

d

A n a r r a y

f

s i n g l e , p u r e c r y s t a l s c a n b e u s e d a s l i g h t

g

u i d e s F l u

r

e s c e n c e me a s u r e me n t c a n d e t e c t t h e c r e a t i

n
f

a s i n g l e n e w d e f e c t i n a b u l k

SLIDE 7

C

l
r

C e n t e r s ( L D M F e r mi l a b )

P h y s i c s r e a c h

R B , O . C h e s h n

v

s k y , O . S l

n

e , T . V

l

a n s k y 1 7 5 . 3 1 6 , P L B

Wi t h 1 k g · y r

SLIDE 8

C

l
r

C e n t e r s ( L D M F e r mi l a b )

Mo d u l a t i

n

a n d d i r e c t i

n

a l i t y

H
u

r l y c h a n g e

f
r

i e n t a t i

n

r e l a t i v e t

D

M w i n d

Mo

d u l a t e d r a t e d i f f e r s f r

m

s

l

a r d i r e c t i

n

( 4 mi n / d a y ) , d a y / n i g h t , s e a s

n
T

h e s mo k i n g g u n

f

G a l a c t i c

r

i g i n

R B , O . C h e s h n

v

s k y , O . S l

n

e , T . V

l

a n s k y 1 7 5 . 3 1 6 , P L B

SLIDE 9

C

l
r

C e n t e r s ( L D M F e r mi l a b )

C

l
r

C e n t e r s – w h y i s i t h a r d ?

“

N e e d l e i n a h a y s t a c k ” :

–

C r y s t a l s a n d d e f e c t s a r e t

d

i v e r s e f

r

t h e

r

e t i c a l p r e d i c t i

n

–

B a c k g r

u

n d s a n d c

n

t a mi n a n t s a t l e v e l s

f

1

1

7

a r e r e q u i r e d !

C

a l i b r a t i

n

a n d s t u d i e s r e q u i r e O ( k e V ) n e u t r

n

s

A

u x i l i a r y p r

b

l e ms

–

B l e a c h i n g

–

A n n e a l i n g

–

B a c k g r

u

n d r e j e c t i

n

SLIDE 10

C

l
r

C e n t e r s ( L D M F e r mi l a b )

G a me p l a n

S

c a n a l l p

s

s i b l e c r y s t a l s a n d d e f e c t s

F

i n d t h e O N E

(
r

t w

,
r

mo r e )

C
n

s t r u c t a d e d i c a t e d

p

t i c a l s e t u p f

r

t h e s t u d y

f

t h e c h

s

e n C C s

P

r

c

e e d w i t h R & D t

w

a r d s a f u l l d e t e c t

r
(

a n d f i n d D M)

SLIDE 11

C

l
r

C e n t e r s ( L D M F e r mi l a b )

A n a d v a n c e d

p

t i c a l s e t u p

G
a

l : S c a n a n d f i n d a l l s i g n a l s p r

d

u c e d i n a ma c r

s

c

p

i c s a mp l e d

w

n t

~

1

4

c m

3

a c t i v e d e f e c t s

B

r

a

d b a n d l i g h t s

u

r c e 2 n m – 8 n m

H

i g h e f f i c i e n c i e s , E M- C C D r e a d

u

t

H

i g h r e p e a t a b i l i t y , c a l i b r a t i

n
A

l l

w

s a d v a n c e d a n a l y s i s

f

t h e a c q u i r e d d a t a

SLIDE 12

C

l
r

C e n t e r s ( L D M F e r mi l a b )

C a l i b r a t i n g a b s

l

u t e s e n s i t i v i t y w i t h R a ma n

I

n S a p p h i r e 2 mo d e s a r e a c t i v e i n R a ma n s c a t t e r i n g

T

h e i n t e n s i t y

f

t h e s c a t t e r i n g i s

T

h e c r

s

s s e c t i

n

i s :

T

h e a b s

l

u t e a n d r e l a t i v e s e n s i t i v i t i e s a r e d i r e c t l y me a s u r e d

n

t h e

p

t i c a l s e t u p

SLIDE 13

C

l
r

C e n t e r s ( L D M F e r mi l a b )

F i r s t me a s u r e me n t s :

2 5 2

C f a n d

6

C

Me

a s u r e me n t s

f

γ a n d ( h i g h E ) n e u t r

n

s

D
w

n t

1

4

c m

3

s e n s i t i v i t y @ ( 4 4 , 5 2 ) n m

A

f i r s t c

mp

r e h e n s i v e c

mp

a r i s

n
f

γ v s . Me V n e u t r

n

s C C p r

d

u c t i

n

r a t e s

A

n a l y s i s p e r f

r

me d t

i

d e n t i f y c e n t e r s p r

d

u c e d b y n e u t r

n

s , γ a n d b

t

h

6

C

i

r r a d i a t i

n

s u s e d t

g

e t t h e γ r e s p

n

s e

SLIDE 14

C

l
r

C e n t e r s ( L D M F e r mi l a b )

2 5 2

C f s e t u p

γ F r

m

P r i ma r y γ F r

m

N e u t r

n

s

SLIDE 15

C

l
r

C e n t e r s ( L D M F e r mi l a b )

Ma n y t a r g e t s a r e b e i n g t e s t e d

SLIDE 16

C

l
r

C e n t e r s ( L D M F e r mi l a b )

2 5 2

C f a n d

6

C

r

e s u l t s

E

a c h 2 D s c a n i s c h e c k e d f

r

a l l e mi s s i

n

s

E

x c e s s

f

P

s

t

P

r e s e a r c h e d f

r

a n d d e c

mp
s

e d

C
n

t r i b u t i

n
n

e a c h p e a k a s s i g n e d t

γ

, n

S

t a t i s t i c a l s i g n i f i c a n c e f

u

n d f

r

e a c h p e a k

r

i g i n

SLIDE 17

C

l
r

C e n t e r s ( L D M F e r mi l a b )

F i r s t me a s u r e me n t s

u

t

1 9 2 . 1 6 6 8 A : N e u t r

n

s B : B

t

h C : γ

SLIDE 18

C

l
r

C e n t e r s ( L D M F e r mi l a b )

G e t t i n g t h e “ R i g h t ” N e u t r

n

s

R

e l e v a n t e n e r g i e s

f

n e u t r

n

s a r e k e V s c a l e

A

n e f f i c i e n t w a y t

p

r

d

u c e MA N Y i s b y u s i n g L i ( p , n ) a t h i g h c u r r e n t , ~ 1 . 9 Me V p r

t
n

b e a m

A

c

l

l a b

r

a t i

n

w i t h S A R A F

n

t h e p r

j

e c t i s

n

g

i

n g

O

l d r e s u l t s i n c

n

c l u s i v e , n e w i r r a d i a t i

n

s j u s t c

mp

l e t e d t w

w

e e k s a g

A

n a l y s i s

n

g

i

n g

SLIDE 19

C

l
r

C e n t e r s ( L D M F e r mi l a b )

L i L i T

E

mp l

y

i n g

7

L i ( p , n ) a t h i g h c u r r e n t s

T

h r e s h

l

d a t E

p

= 1 . 8 8 4 Me V , f i n e t u n i n g t

g

e t l

w

E n e u t r

n

s

L

i q u i d L i t h i m T a r g e t a l l

w

s ~ 1 mA C W, t h r e e

r

d e r s

f

ma g n i t u d e h i g h e r t h a n s

l

i d t a r g e t s

T

h e S A R A F a c c e l e r a t

r

a t S N R C w i t h L i L i T t a r g e t p r

v

i d e s r e l e v a n t e n e r g i e s a t h i g h f l u x e s ( 1

1 2

n / s a t t h e s

u

r c e )

1 3 1 1 . 3 3 2 5

SLIDE 20

C

l
r

C e n t e r s ( L D M F e r mi l a b )

S A R A F i r r a d i a t i

n

s

I r r a d i a t i

n

w i t h 3 k e V n e u t r

n

s i n t h e S A R A F f a c i l i t y

A

c c

mp

a n y i n g γ r a d i a t i

n

n

t

t r i v i a l , s e v e r a l d i f f e r e n t me a s u r e me n t s t a k e n i n

r

d e r t

a

c c

u

n t f

r

v a r i

u

s p r

d

u c t i

n

me c h a n i s ms : D i r e c t n , d i r e c t γ a t d i f f e r e n t e n e r g i e s , t h e r ma l n , c

mb

i n a t i

n

s

F

u t u r e s t u d i e s w i l l n e e d a s

u

r c e d u r i n g u p g r a d e t

S

A R A F I I

We

h a v e a g a p i n l

w
E

n e u t r

n

s s t a r t i n g i n t h e f a l l

SLIDE 21

C

l
r

C e n t e r s ( L D M F e r mi l a b )

D

w

n t h e r

a

d f

r

C

l
r

C e n t e r s

I

r r a d i a t i

n

s w i t h L i q u i d L i t h i u m T a r g e t a t t h e S A R A F a c c e l e r a t

r

( ~ 3 k e V )

O

p t i mi z i n g

p

t i c a l s y s t e m f

r

s p e c i f i c “ i n t e r e s t i n g ” C C s

S

t u d i e s

f

r e s p

n

s e l i n e a r i t i e s , b a c k g r

u

n d s , b l e a c h i n g , a n n e a l i n g

n

“ i n t e r e s t i n g ” C C s

S

t u d y

f

d e f e c t p r

p

e r t i e s ( w i t h t h e

r

e t i c a l c a l c s )

S

e a r c h f

r

n e w c r y s t a l s

.

. .

SLIDE 22

C

l
r

C e n t e r s ( L D M F e r mi l a b )

A p r

b

l e m ( f

r

u s ) – a v a i l a b i l i t y

f

l

w

E n e u t r

n

s

S

t a r t i n g f a l l 2 1 9 S A R A F g

e

s d

w

n f

r

a ~ 4 y e a r u p g r a d e

P

r

t
n

a c c e l e r a t

r

s e l s e w h e r e h a v e mu c h l

w

e r f l u x e s ( 3

r

d e r s

f

ma g n i t u d e ) , w i l l n e e d a d j u s t me n t s

f

t h e

p

t i c a l s e n s i t i v i t y , c l e a n l i n e s s e t c .

I

d e a s f

r

l

w

E n e u t r

n

s :

–

N u c l e a r l i n e f i l t e r i n g f

r

2 5 k e V , 7 k e V ( 1 4 3 . 1 2 8 5 )

–

N u c l e a r f i l t e r i n g f

r

2 k e V ( G r e e n w

d

, C h r i e n 1 9 7 6 )

–

B

t

h r e q u i r e h i g h f l u x n e u t r

n

s

u

r c e s

SLIDE 23

C

l
r

C e n t e r s ( L D M F e r mi l a b )

T i me L i n e

S

t r

n

g l y d e p e n d s

n

f i n d i n g a “ g

l

d e n ” d e f e c t

O

n c e f

u

n d , a d e d i c a t e d s e t u p

p

t i mi z e d f

r

i t w i l l b e c

n

s t r u c t e d a n d a l l

w

s t u d i e s ( 1

2

y ) :

–

P r

d

u c t i

n

a n d a n n e a l i n g

–

B l e a c h i n g

–

O t h e r r e s p

n

s e s , d e t e c t

r
p

e r a t i

n
I

f s u c c e s s f u l , a d e mo n s t r a t

r

e x p e r i me n t c a n b e b u i l t

–

S i n g l e s c a t t e r ( a b

v

e g r

u

n d ) , b a c k g r

u

n d s ,

p

e r a t i

n

–

A f u l l D M e x p e r i me n t c a n b e p r

p
s

e d b a s e d

n

a s u c c e s s f u l d e mo n s t r a t

r

. C

s

t e s t i ma t e ~ 1

2

M$ ( e q u i p me n t )

SLIDE 24

C

l
r

C e n t e r s ( L D M F e r mi l a b )

Q u i c k S u mma r y

C
l
r

C e n t e r s : L

w

e r i n g t h e t h r e s h

l

d t

ma

k e n e w w i n d

w

s v i a b l e

–

P r e l i mi n a r y r e s u l t s a r e p r

mi

s i n g f

r

s e v e r a l c r y s t a l s

–

L

w

E n e u t r

n

s u n d e r w a y

–

Wo r k i s

n

l y i n t h e G e n e s i s mo d e

–

S A R A F f a c i l i t y a n d

t

h e r l

w

e n e r g y n e u t r

n

s

u

r c e s a r e e x t r e me l y i mp

r

t a n t , c u r r e n t l y a b

t

t l e n e c k

A

s e a r c h f

r

s u c c e s s f u l c a n d i d a t e s w i l l c

n

t i n u e . O n c e f

u

n d , a c a n d i d a t e c a n a d v a n c e t

f

u l l D M mo d e i n 3

5

y e a r s

SLIDE 25

C

l
r

C e n t e r s ( L D M F e r mi l a b )

L i g h t D a r k Ma t t e r : Mo d e l s @ P r

p
s

e d D e t e c t

r

s

Me

V S U S Y 8 1 . 3 6 8 6

G

a u g e

me

d i a t e d S U S Y b r e a k i n g 8 3 . 4 1 9 6

A

s y mme t r i c D a r k Ma t t e r 9 1 . 4 1 1 7

F

I MP D a r k Ma t t e r 9 1 1 . 1 1 2

S

I MP D a r k Ma t t e r 1 4 2 . 5 1 4 3 ;

E

l a s t i c a l l y D e c

u

p l i n g D a r k Ma t t e r 1 5 1 2 . 4 5 4 5

S

c a l a r D a r k Ma t t e r h e p

p

h / 3 5 2 6 1

A

b e l i a n H i d d e n S e c t

r

s 9 4 . 2 5 6 7

C

a n n i b a l D a r k Ma t t e r 1 6 2 . 4 2 1 9

A

n d mo r e . . .

G

r a p h e n e b a s e d 1 6 6 . 8 8 4 9

S

u p e r F l u i d H e 1 3 2 . 5 3 4 ; 1 6 4 . 8 2 6

T

E S r e a d

u

t

H

e e v a p

r

a t i

n

a n d f i e l d i

n

i z a t i

n

1 7 6 . 1 1 7

C

D MS l i t e 1 5 9 . 2 4 4 8

S

i n g l e p h

t
n

s c i n t i l l a t i

n

1 6 7 . 1 9

T

E S r e a d

u

t

C

C D s ( D A MI C , S E N S E I ) 1 5 1 . 2 1 2 6

S

u p e r c

n

d u c t i n g A l c u b e 1 5 1 2 . 4 5 3 3

3

D D i r a c ma t e r i a l s 1 7 8 . 8 9 2 9

S

e mi c

n

d u c t

r

a b s

r

p t i

n

1 6 8 . 1 9 9 4

S

u p e r c

n

d u c t

r

a b s

r

p t i

n

1 6 4 . 6 8

F

e r mi

d

e g e n e r a t e ma t e r i a l s 1 5 1 2 . 4 5 3 3

C

h e mi c a l b

n

d b r e a k i n g / C

l
r

C e n t e r s 1 7 5 . 3 1 6 ; 1 6 8 . 2 9 4

A

n d mo r e . . .