Самый чувствительный детектор темной материи в мире принес первые результаты
Эта машина может помочь разгадать одну из самых больших загадок физики — природу темной материи — впервые напрямую обнаружив составляющие ее частицы.
Расположенный глубоко под Блэк-Хиллз в Южной Дакоте эксперимент LUX-ZEPLIN (LZ), управляемый группой из 250 ученых во главе с Национальной лабораторией Лоуренса Беркли, прошел этап проверки процедуры запуска.
Детектор LZ запущен и работает с декабря 2021 года, и новые результаты отражают первые 60 дней его реальной работы. «Мы готовы, и все выглядит хорошо», — заявил в своем заявлении старший физик команды Berkeley Lab и бывший представитель LZ Кевин Леско. «Это сложный детектор, состоящий из множества частей, и все они работают в соответствии с ожиданиями», — заверил он.
Темная материя составляет около 85% материи в известной Вселенной, но поскольку она не взаимодействует со светом, то практически невидима. Точно так же, какими бы ни были составляющие частицы темной материи, они также не сильно взаимодействуют с другой материей.
На самом деле единственный способ, которым ученые могут сделать вывод о наличии темной материи, — это ее гравитационное влияние, которое буквально удерживает вместе большинство галактик, не давая составляющим их звездам разлететься по мере их вращения.
Это означает, что исследователи знают, что темная материя не состоит из протонов и нейтронов, как обычная (т.н. барионная) материя, которую мы видим вокруг себя каждый день.
Детектор LUX-ZEPLIN настроен специально для поиска гипотетического типа темной материи, называемого слабо взаимодействующими массивными частицами или вимпами. Ожидается, что эти частицы будут очень редко сталкиваться с веществом и при этом очень слабо взаимодействовать.
В настоящее время частицы темной материи все еще не были обнаружены напрямую, но есть надежда, что детектор LZ сможет изменить это, обнаружив слабое взаимодействие этих таинственных частиц с атомами ксенона. Для этого требуется чувствительный детектор с устранением всех возможных шумов, которые могут помешать обнаружению.
Ксенон эксперимента LZ находится в двух вложенных друг в друга титановых резервуарах, содержащих десять тонн элемента в жидком состоянии. Эти резервуары контролируются двумя массивами фотоумножителей (ФЭУ), которые готовы обнаруживать слабые источники света.
Резервуары и сопутствующие им детекторы также находятся внутри более крупной системы обнаружения, которая может улавливать любые частицы, которые могут имитировать сигнал темной материи, и исключать их из поиска настоящей темной материи.
Чтобы обнаружить эти слабые взаимодействия, ксеноновые баллоны должны поддерживаться при температуре — 100 градусов по Цельсию. Кроме того, команда LZ должна удалить все естественное фоновое излучение из детектора. Резервуар для воды окружает эксперимент от естественного излучения, испускаемого излучением стен лаборатории.
Подземное расположение детектора темной материи помогает защитить его от высокоэнергетических протонов и атомных ядер, которые движутся в пространстве почти со скоростью света и исходят от Солнца и за пределами Солнечной системы, называемых космическими лучами.
Чувствительность детектора LZ будет дополнительно повышена в течение следующих 1000 дней, а это означает, что эксперимент только начался и впереди нас ждет еще много удивительных открытий.