Такие физики, как я, не до конца понимают, из чего состоит около 83% материи Вселенной — то, что мы называем «темной материей». Но с резервуаром, полным ксенона, зарытым почти в миле под Южной Дакотой, мы, возможно, когда-нибудь сможем измерить, что такое темная материя на самом деле. В типичной модели темная материя отвечает за большую часть гравитационного притяжения во Вселенной, обеспечивая клей, который позволяет формироваться таким структурам, как галактики, включая наш собственный Млечный Путь. Поскольку Солнечная система вращается вокруг центра Млечного Пути, Земля движется через гало темной материи, которая составляет большую часть материи в нашей галактике.
Я физик, заинтересованный в понимании природы темной материи. Одно из популярных предположений состоит в том, что темная материя — это новый тип частиц, Слабо взаимодействующие массивные частицы или вимпы. «WIMP» очень хорошо отражает сущность частицы — у нее есть масса, что означает, что она взаимодействует гравитационно, но в остальном она очень слабо — или редко — взаимодействует с обычной материей. Вимпы в Млечном Пути теоретически пролетают сквозь нас на Земле все время, но поскольку они взаимодействуют слабо, они просто ни во что не врезаются.
За последние 30 лет ученые разработали экспериментальную программу, чтобы попытаться обнаружить редкие взаимодействия между вимпами и обычными атомами. Однако на Земле мы постоянно окружены низкими, неопасными уровнями радиоактивности, исходящими от микроэлементов — в основном урана и тория — в окружающей среде, а также космических лучей из космоса. Цель охоты на темную материю состоит в том, чтобы построить как можно более чувствительный детектор, чтобы он мог видеть темную материю, и поместить его в как можно более тихое место, чтобы сигнал темной материи можно было увидеть на фоновой радиоактивности. С результатами, опубликованными в июле 2023 года, коллаборация LUX-ZEPLIN, или LZ, сделала именно это, создав самый большой на сегодняшний день детектор темной материи и запустив его на глубине 4850 футов (1478 метров) под землей в Сэнфордском подземном исследовательском центре в Лиде, Южная Дакота. .
В центре LZ находится 10 метрических тонн (10 000 кг) жидкого ксенона. Когда частицы проходят через детектор, они могут столкнуться с атомами ксенона, что приведет к вспышке света и высвобождению электронов. В LZ две массивные электрические решетки создают электрическое поле по всему объему жидкости, которое выталкивает высвобожденные электроны на поверхность жидкости. Когда они прорываются через поверхность, они втягиваются в пространство над жидкостью, заполненной ксеноновым газом, и ускоряются другим электрическим полем, создавая вторую вспышку света. Два больших массива световых датчиков собирают эти две вспышки света, и вместе они позволяют исследователям реконструировать положение, энергию и тип имевшего место взаимодействия.
Все материалы на Земле, в том числе используемые в конструкции детектора вимпов, излучают некоторое количество излучения, которое потенциально может маскировать взаимодействие темной материи. Поэтому ученые строят детекторы темной материи, используя самые «радиочистые» материалы, то есть свободные от радиоактивных примесей, которые они могут найти как внутри, так и снаружи детектора. Например, работая с металлургическими заводами, LZ смогла использовать самый чистый титан на Земле для создания центрального цилиндра или криостата, содержащего жидкий ксенон. Использование этого особого титана снижает радиоактивность в LZ, создавая чистое пространство для наблюдения за любыми взаимодействиями с темной материей. Кроме того, жидкий ксенон настолько плотный, что фактически действует как радиационный экран, и ксенон легко очистить от радиоактивных загрязнителей, которые могут проникнуть внутрь.
В LZ центральный ксеноновый детектор находится внутри двух других детекторов, называемых ксеноновой обшивкой и внешним детектором. Эти поддерживающие слои улавливают радиоактивность на пути внутрь или наружу центральной ксеноновой камеры. Поскольку взаимодействия темной материи настолько редки, частица темной материи будет взаимодействовать только один раз во всем аппарате. Таким образом, если мы наблюдаем событие с множественными взаимодействиями в ксеноне или внешнем детекторе, мы можем предположить, что оно не вызвано вимпом. Все эти объекты, включая центральный детектор, криостат и внешний детектор, живут в большом резервуаре с водой почти в миле под землей. Резервуар с водой защищает детекторы от пещеры, а подземная среда защищает резервуар с водой от космических лучей или заряженных частиц, которые постоянно попадают в атмосферу Земли.
В только что опубликованном результате, используя данные за 60 дней, LZ регистрировала около пяти событий в день в детекторе. Это примерно на триллион меньше событий, чем обычный детектор частиц на поверхности зарегистрирует за день. Глядя на характеристики этих событий, исследователи могут с уверенностью сказать, что до сих пор ни одно взаимодействие не было вызвано темной материей. Результат, увы, не является открытием новой физики, но мы можем установить ограничения на то, насколько слабо темная материя должна взаимодействовать, поскольку она остается невидимой для LZ. Эти ограничения помогают физикам понять, чем темная материя не является, и LZ делает это лучше, чем любой другой эксперимент в мире. Между тем, есть надежда на то, что будет дальше в поисках темной материи. Сейчас LZ собирает больше данных, и мы ожидаем, что в ближайшие несколько лет получим более чем в 15 раз больше данных. Взаимодействие WIMP уже может быть в этом наборе данных, просто ожидая, когда его обнаружат в следующем раунде анализа.
