|
Новый рекорд в поисках темной материи
|
|
|
|
Выяснение природы темной материи, невидимого вещества, составляющего большую часть массы нашей Вселенной, является одной из величайших загадок физики. Новые результаты, полученные с помощью самого чувствительного в мире детектора темной материи LUX-ZEPLIN (LZ), сузили возможности одного из ведущих кандидатов на обнаружение темной материи: слабо взаимодействующих массивных частиц, или WIMP.
|
|
|
|
Компания LZ, возглавляемая Национальной лабораторией Лоуренса Беркли (Berkeley Lab) при Министерстве энергетики США, ведет поиски темной материи в пещере, расположенной почти в миле под землей, в подземном исследовательском центре Сэнфорда в Южной Дакоте. Новые результаты эксперимента исследуют более слабые взаимодействия темной материи, чем когда-либо исследованные ранее, и еще больше ограничивают возможности WIMP.
|
|
|
|
"Это новые, ведущие в мире ограничения в отношении темной материи и слабаков", - сказал Чамкаур Гаг, представитель LZ и профессор Университетского колледжа Лондона (UCL). Он отметил, что детекторы и методы анализа работают даже лучше, чем ожидалось от совместной работы.
|
|
|
|
"Если бы WIMP находились в регионе, который мы искали, мы бы смогли что-то о них сказать. Мы знаем, что у нас есть чувствительность и инструменты, позволяющие определить, есть ли они там, когда мы исследуем более низкие энергии и проводим большую часть времени этого эксперимента".
|
|
|
|
Коллаборация не обнаружила признаков существования WIMP с массой выше 9 гигаэлектронвольт/c2 (ГэВ/c2). (Для сравнения, масса протона составляет чуть меньше 1 ГэВ/c2). Чувствительность эксперимента к слабым взаимодействиям помогает исследователям отвергать потенциальные модели темной материи WIMP, которые не соответствуют полученным данным, оставляя значительно меньше мест для укрытия WIMP.
|
|
|
Новые результаты были представлены 26 августа на двух физических конференциях: TeV Particle Astrophysics 2024 в Чикаго, штат Иллинойс, и LIDINE 2024 в Сан-Паулу, Бразилия. Статья будет опубликована в ближайшие недели.
|
|
|
|
В результатах анализируются данные за 280 дней: новый набор из 220 дней (собранных в период с марта 2023 по апрель 2024 года) в сочетании с 60 более ранними днями из первого запуска LZ. В рамках эксперимента планируется собрать данные за 1000 дней, прежде чем он завершится в 2028 году.
|
|
|
|
"Если рассматривать поиск темной материи как поиск зарытого сокровища, то мы копнули почти в пять раз глубже, чем кто-либо другой в прошлом", - сказал Скотт Кравиц, заместитель координатора по физике в LZ и профессор Техасского университета в Остине. "Это то, чего вы не сделаете с помощью миллиона лопат — вы сделаете это, изобретя новый инструмент".
|
|
|
|
Чувствительность LZ обусловлена множеством способов, с помощью которых детектор может уменьшить фон, ложные сигналы, которые могут выдать себя за взаимодействие с темной материей или скрыть его. Глубоко под землей детектор защищен от космических лучей, приходящих из космоса.
|
|
|
|
Чтобы уменьшить естественное излучение от повседневных предметов, LZ был изготовлен из тысяч сверхчистых деталей с низким уровнем излучения. Детектор выполнен в виде луковицы, каждый слой которой либо блокирует внешнее излучение, либо отслеживает взаимодействие частиц, чтобы исключить имитацию темной материи. А новые сложные методы анализа помогают исключить фоновые взаимодействия, особенно связанные с наиболее распространенным источником загрязнения - радоном.
|
|
|
|
Этот результат также является первым случаем, когда LZ применила "соление" — метод, который добавляет ложные сигналы WIMP во время сбора данных. Скрывая реальные данные до тех пор, пока они не окажутся "несолеными" в самом конце, исследователи могут избежать неосознанной предвзятости и удержаться от чрезмерной интерпретации или изменения своего анализа.
|
|
|
|
"Мы приближаемся к тому рубежу, когда люди еще не занимались поисками темной материи", - сказал Скотт Хазелшвардт, координатор по физике в Калифорнийском университете и недавний научный сотрудник Лаборатории Чемберлена в Беркли, который сейчас является доцентом Мичиганского университета. "Человеку свойственно видеть закономерности в данных, поэтому, когда вы переходите к новому режиму, очень важно, чтобы в нем не было предвзятости. Если вы делаете открытие, вы хотите сделать его правильно".
|
|
|
|
Темная материя, названная так потому, что она не излучает, не отражает и не поглощает свет, по оценкам, составляет 85% массы Вселенной, но никогда не была обнаружена непосредственно, хотя она оставила свой след в многочисленных астрономических наблюдениях. Мы бы не существовали без этой загадочной, но фундаментальной части Вселенной; масса темной материи способствует гравитационному притяжению, которое помогает галактикам формироваться и держаться вместе.
|
|
|
|
LZ использует 10 тонн жидкого ксенона для получения плотного, прозрачного материала, с которым могут столкнуться частицы темной материи. Есть надежда, что WIMP ударит по ядру ксенона, заставив его двигаться, подобно удару битка при игре в бильярд. Собирая свет и электроны, испускаемые во время взаимодействий, LZ улавливает потенциальные сигналы WIMP наряду с другими данными.
|
|
|
|
"Мы продемонстрировали, насколько мы сильны в качестве поисковой машины WIMP, и мы собираемся продолжать работать и становиться еще лучше, но есть много других вещей, которые мы можем сделать с помощью этого детектора", — сказала Эми Коттл, руководитель поисковой программы WIMP и доцент Калифорнийского университета.
|
|
|
|
"Следующий этап - использовать эти данные для изучения других интересных и редких физических процессов, таких как редкие распады атомов ксенона, двойной бета-распад без нейтрино, солнечные нейтрино бора-8 и другие физические процессы, выходящие за рамки стандартной модели. И это в дополнение к исследованию некоторых из самых интересных и ранее недоступных моделей темной материи за последние 20 лет".
|
|
|
|
В LZ сотрудничают примерно 250 ученых из 38 учреждений в Соединенных Штатах, Великобритании, Португалии, Швейцарии, Южной Корее и Австралии; большая часть работы по созданию, эксплуатации и анализу рекордного эксперимента выполнена начинающими исследователями.
|
|
|
|
Команда уже с нетерпением ждет возможности проанализировать следующий набор данных и использовать новые методы анализа для поиска темной материи еще меньшей массы. Ученые также обдумывают возможные усовершенствования для дальнейшего улучшения LZ и планируют создание детектора темной материи следующего поколения под названием XLZD.
|
|
|
|
"Наша способность к поиску темной материи улучшается быстрее, чем закон Мура", - сказал Кравиц. "Если вы посмотрите на экспоненциальную кривую, то все, что было до сих пор, - это ничто. Просто подождите, и вы увидите, что будет дальше".
|
|
|
|
Источник
|
