|
Природа темной материи более неуловима
|
|
|
|
Новые результаты, полученные с помощью самого чувствительного в мире детектора темной материи, сужают ее характеристики, приближая к разгадке одной из величайших тайн Вселенной. Эксперимент LUX-ZEPLIN по изучению темной материи (LZ), проводимый в подземном исследовательском центре Сэнфорда в Южной Дакоте, США, проанализировал обширные данные, которые дают беспрецедентное представление об одном из ведущих кандидатов на темную материю, известном как слабо взаимодействующие массивные частицы, также называемые WIMP.
|
|
|
|
Результаты, представленные в понедельник на конференции TeV Particle Astrophysics 2024 в Чикаго, штат Иллинойс, и конференции LIDINE 2024 в Сан-Паулу, Бразилия, почти в пять раз более чувствительны, чем предыдущие исследования, и указывают на то, что WIMP редко взаимодействуют с обычной материей, подтверждая, насколько сложно отследить темную материю.
|
|
|
|
Проектом LZ руководит Национальная лаборатория Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab) Министерства энергетики США. Физики из Бристольского университета участвуют в международном проекте, в котором участвуют более 250 исследователей из США, Великобритании, Австралии, Португалии, Южной Кореи и Швейцарии. Это крупнейший в мире и наиболее чувствительный эксперимент по поиску частиц темной материи, в частности WIMP.
|
|
|
|
Соавтор Хеннинг Флаехер, профессор физики и главный исследователь Бристольской группы, сказал: "Результаты представляют собой значительное улучшение по сравнению с предыдущими поисками темной материи WIMP. Мы исследовали большой диапазон масс, которыми может обладать темная материя, и силу ее взаимодействия с обычной материей, но пока это остается неуловимым. Поиск темной материи - это, безусловно, марафон, а не спринт, и, поскольку LZ еще предстоит собрать примерно в три раза больше данных, чем было использовано для получения этих последних результатов, все еще впереди".
|
|
|
LZ не обнаружила признаков существования WIMP с массой выше 9 ГэВ/с2, где 1 ГэВ/с2 примерно соответствует массе атома водорода.
|
|
|
|
Теперь эксперимент должен продолжаться до 1000 дней, чтобы полностью реализовать его чувствительность. Этот первоначальный результат - лишь малая часть того опыта, который подтверждает десятилетнюю работу по проектированию и строительству.
|
|
|
|
LZ, поддерживаемый в Великобритании Советом по науке и технологиям UKRI, представляет собой сложную и инновационную разработку для поиска прямых доказательств существования темной материи — таинственного невидимого вещества, которое, как считается, составляет большую часть массы Вселенной. Темную материю особенно сложно обнаружить, поскольку она не излучает и не поглощает свет или какую-либо другую форму излучения.
|
|
|
|
Детектор LZ пытается зафиксировать очень редкие и очень слабые взаимодействия между темной материей и 7-тонной мишенью из жидкого ксенона. Для этого детектор LZ должен быть тщательно откалиброван и устранен любой фоновый шум, чтобы эксперимент был идеально настроен для наблюдения этих взаимодействий.
|
|
|
|
Эти теоретизируемые элементарные частицы взаимодействуют с гравитацией, что в первую очередь подтверждает существование темной материи, а возможно, и через новое слабое взаимодействие.
|
|
|
|
Это означает, что WIMP, как ожидается, будут сталкиваться с обычной материей, хотя и очень редко и очень слабо. Вот почему для обнаружения WIMP необходимы очень тихие и очень чувствительные детекторы частиц.
|
|
|
|
В центре эксперимента находится большой детектор частиц жидкого ксенона, работающий при температуре около -110°С, окруженный фотодатчиками. Если WIMP взаимодействует с атомом ксенона, должно быть испущено небольшое количество света, и датчики зафиксируют его. Но для того, чтобы увидеть эти редкие взаимодействия, команда должна была сначала тщательно удалить как можно больше фонового излучения из материалов детектора.
|
|
|
|
Но этого недостаточно, и это объясняет, почему LZ находится примерно в миле под землей. Это защищает его от космических лучей, которые бомбардируют эксперименты на поверхности Земли. Детектор и его криостат помещены в огромный резервуар для воды, чтобы защитить эксперимент от частиц и излучения, исходящих от стен лаборатории.
|
|
|
|
Исследователи из Бристольского университета играют важную роль в эксперименте, а Кристофер Райт и Натан Паннифер работают на глубине 1500 метров под землей в Южной Дакоте в рамках своей докторской диссертации, внося свой вклад в работу и техническое обслуживание внешнего детектора (OD). Этот компонент LZ используется для подавления сигналов, исходящих от нейтронов и гамма-лучей, которые могут имитировать взаимодействие темной материи. Основываясь на данных, собранных с помощью OD, Сэм Эриксен, старший научный сотрудник, руководил разработкой нейтронного вето и измерением его эффективности для текущего анализа.
|
|
|
|
Профессор Флечер добавил: "Для поиска темной материи жизненно важно подавлять любые источники фонового излучения, в частности нейтроны и гамма-лучи. Детекторы LZs veto позволяют нам отклонять такие процессы и получать чувствительность к чрезвычайно редким взаимодействиям с темной материей.
|
|
|
|
"Наконец, компания LZ позаботилась о том, чтобы сам жидкий ксенон был максимально чистым, тщательно удалив основные загрязняющие вещества в ходе сложного многолетнего процесса. Для работы LZ пришлось объединить множество сложных систем, и эти результаты показывают, что они работают в полной гармонии".
|
|
|
|
Источник
|
