Най-чувствителният детектор на тъмна материя в света се присъединява към лова на WIMP

Сподели

Най-чувствителният детектор на тъмна материя в света работи и е готов да се справи с една от най-объркващите мистерии на Вселената. С чувствителност най-малко 50 пъти по-голяма от своите предшественици, експериментът LUX-ZEPLIN (LZ) се спотайва тихо на една миля под земята, чакайки признаци на тези хипотетични частици.

През по-голямата част от един век учените са осъзнали, че нашите наблюдения на Вселената не съвпадат с прогнозите на Стандартния модел. Има нарастващи доказателства за огромно количество невидима материя, която влияе върху нещата, които можем да видим чрез гравитацията. Но разочароващо, тази така наречена „тъмна материя“ продължава да избягва прякото откриване.

И не е от липса на опити. През десетилетията много експерименти са търсили сигнали по различни начини, без да надникнат. Нулевите резултати обаче не са пълно измиване – всеки от тях помага да се изключат кандидат-частици с определени маси или други свойства, стеснявайки ловното поле за следващото поколение детектори за тъмна материя.

И сега запалва последното поколение. Експериментът LUX-ZEPLIN е, както подсказва името, наследник на два предишни експеримента, LUX и ZEPLIN, но този е поне 50 пъти по-чувствителен към възможни сигнали от тъмна материя от своите предшественици.

LZ търси специфичен тип кандидат за тъмна материя, наречен слабо взаимодействащи масивни частици (WIMP), за които се предполага, че са били създадени в ранната вселена и все още биха се навъртали наоколо днес. Ако са, те биха взаимодействали с обикновената материя чрез гравитацията и слабата ядрена сила, произвеждайки астрономическите аномалии, свързани с тъмната материя.

Докато се носят из космоса, тези WIMP предимно игнорират нормалната материя, преминавайки през цели планети и дори нас. Но понякога човек трябва да се сблъска с ядрото на атом, произвеждайки сигнал, който може да бъде открит с подходящото оборудване.

И LZ е правилното оборудване. Експериментът включва огромен обем атоми, в които WIMPs да се сблъскат, заобиколени от детектори, за да следят за подобни събития. Целта е резервоар с ултрачист течен ксенон и ако бъде обезпокоен от блуждаещ WIMP, той излъчва светкавица и освобождава електрон, като и двата могат да бъдат уловени от сензори в резервоара. Съоръжението е построено на 1,5 км (0,9 мили) под земята и е затворено в голям резервоар с вода, за да предпазва от други частици като неутрони, които произвеждат фалшиви положителни резултати.

Двойка схеми, илюстриращи как работи детекторът за тъмна материя LUX-ZEPLIN

Вляво: LZ колаборация. Вдясно: LZ/SLAC

Това е същата основна настройка, използвана от LUX и ZEPLIN, но LZ включва няколко нови трика. От една страна, самият резервоар е много по-голям – когато оригиналният LUX използва 370 кг (816 фунта) ксенон за активно откриване, LZ разполага със 7 тона (7,7 тона), което значително увеличава неговата чувствителност.

За да помогне за отделянето на събития, причинени от скучни стари частици от потенциално новаторски WIMP откривания, външният резервоар за вода също съдържа нов набор от сензори, които могат да открият кога известни частици преминават през него. По този начин всички събития в ксенона, които са придружени от сигнали във водата, могат да бъдат изключени като откривания на тъмна материя.

Външният детектор на LUX-ZEPLIN е проектиран да улавя сигнали, създадени от известни частици, намалявайки фоновия шум от потенциални откривания на тъмна материя
Външният детектор на LUX-ZEPLIN е проектиран да улавя сигнали, създадени от известни частици, намалявайки фоновия шум от потенциални откривания на тъмна материя

Матю Капуст

Като цяло, тези постижения правят LZ над 50 пъти по-чувствителен от предшестващите го експерименти и му позволяват да претендира за текущата титла на най-чувствителния детектор на тъмна материя в света.

LZ работи за тестово изпълнение от 60 дни, започвайки през декември 2021 г., и през това време не откри никакво превишаване на събития над очаквания фонов шум. Но това е само началото, като се очаква експериментът да събира данни за 1000 дни през целия си живот.

Може би докато това стане, най-накрая ще имаме отговор на тази космическа мистерия.

Данните от теста бяха публикувани в статия за предпечат на ArXiv.

източници: Подземно изследователско съоръжение Санфорд, ЛУКС-ЗЕПЛИН, Имперски колеж в Лондон



Публикациите се превеждат автоматично с google translate


Сподели