Жидкий ксенон поможет в поиске частиц темной материи
На глубине мили под землей в заброшенном золотом руднике в Южной Дакоте находится гигантский цилиндр, содержащий 10 тонн очищенного жидкого ксенона, за которым пристально следят более 250 ученых со всего мира. Этот резервуар с ксеноном является сердцевиной эксперимента LUX-ZEPLIN (LZ), целью которого является обнаружение темной материи — таинственной невидимой субстанции, составляющей 85% материи во Вселенной. «Люди ищут темную материю уже более 30 лет, и пока ни у кого не было убедительного обнаружения», — сказал Дэн Акериб, профессор физики элементарных частиц и астрофизики в Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики (DOE). Но с помощью ученых, инженеров и исследователей со всего мира Акериб и его коллеги сделали эксперимент LZ одним из самых чувствительных детекторов частиц на планете.
Чтобы достичь этого, исследователи SLAC опирались на свой опыт работы с жидкими благородными веществами — жидкими формами благородных газов, таких как ксенон, — включая продвижение технологий, используемых для очистки самих жидких благородных веществ, и систем для обнаружения редких взаимодействий темной материи в этих жидкостях. И, по словам Акериба, то, что узнали исследователи, поможет не только в поисках темной материи, но и в других экспериментах по поиску процессов физики редких частиц. «Это действительно глубокие загадки природы, и это слияние понимания очень большого и очень малого одновременно очень захватывает», — сказал Акериб. «Возможно, мы сможем узнать что-то совершенно новое о природе».
В поисках темной материи глубоко под землей
В настоящее время ведущим кандидатом на роль темной материи являются слабо взаимодействующие массивные частицы, или вимпы. Однако, как следует из аббревиатуры, вимпы почти не взаимодействуют с обычной материей, что делает их очень трудными для обнаружения, несмотря на то, что теоретически многие из них постоянно проходят мимо нас.
Чтобы справиться с этой проблемой, эксперимент LZ сначала был проведен глубоко под землей в бывшем золотом руднике Хоумстейк, который сейчас является подземным исследовательским центром Сэнфорда (SURF) в Лиде, Южная Дакота. Там эксперимент хорошо защищен от постоянной бомбардировки космическими лучами поверхности Земли — источника фонового шума, который может затруднить обнаружение труднодоступной темной материи.
Даже в этом случае для обнаружения темной материи требуется чувствительный детектор. По этой причине ученые обращают внимание на благородные газы, которые, как известно, неохотно реагируют ни с чем. Это означает, что существует очень мало вариантов того, что может произойти, когда частица темной материи, или вимп, взаимодействует с атомом благородного газа, и, следовательно, меньше шансов, что ученые пропустят и без того сложное для обнаружения взаимодействие.
Но какой дворянин? Как оказалось, «ксенон особенно хорошо подходит для обнаружения темной материи», — сказал Акериб. Темная материя наиболее сильно взаимодействует с ядрами, и взаимодействие становится еще сильнее с атомной массой атома, пояснил Акериб. Например, атомы ксенона чуть более чем в три раза тяжелее атомов аргона, но ожидается, что их взаимодействие с темной материей более чем в десять раз сильнее.
Еще одно преимущество: «Как только вы очистите жидкий ксенон от других загрязняющих веществ, он сам по себе станет очень бесшумным», — сказал Акериб. Другими словами, естественный радиоактивный распад ксенона вряд ли помешает обнаружению взаимодействий между вимпами и атомами ксенона.
Только ксенон
Хитрость, по словам Акериба, заключается в получении чистого ксенона, без которого все преимущества инертного газа являются спорными. Однако очищенные инертные газы не всегда доступны — тот факт, что они почти ни с чем не взаимодействуют, также означает, что их, как правило, довольно трудно отделить друг от друга. И «к сожалению, вы не можете просто купить готовый очиститель, который будет очищать благородные газы», — сказал Акериб. Поэтому Акерибу и его коллегам из SLAC пришлось найти способ очистить весь жидкий ксенон, необходимый для детектора.
Самым большим загрязнителем ксенона является криптон, который является вторым по легкости благородным газом и содержит радиоактивный изотоп, который может маскировать взаимодействия, которые на самом деле ищут исследователи. Чтобы предотвратить превращение криптона в криптонит детектора частиц, Акериб и его коллеги потратили несколько лет на совершенствование метода очистки ксенона с помощью так называемой газовой угольной хроматографии. Основная идея состоит в том, чтобы разделить ингредиенты в смеси на основе их химических свойств, когда смесь проходит через какую-то среду. Газоугольная хроматография использует гелий в качестве газа-носителя для смеси и уголь в качестве разделительной среды.
«Вы можете думать о гелии как о постоянном дуновении древесного угля», — объяснил Акериб. «Каждый атом ксенона и криптона какое-то время застревает на древесном угле и какое-то время отклеивается. Когда атомы находятся в отлипшем состоянии, гелиевый ветерок уносит их вниз по колонне». Атомы благородных газов менее липкие, чем они меньше, а это означает, что криптон несколько менее липкий, чем ксенон, поэтому он уносится нелипким гелиевым «ветром», таким образом отделяя ксенон от криптона. Затем исследователи могли захватить криптон и выбросить его, а затем восстановить ксенон, сказал Акериб. «Мы сделали это примерно для 200 баллонов ксенона — это была довольно большая кампания».
Эксперимент LZ — не первый эксперимент, в котором SLAC участвовал в попытке найти новую физику с ксеноном. Эксперимент Enriched Xenon Observatory (EXO-200), который проводился с 2011 по 2018 год, выделил особый изотоп ксенона для поиска процесса, называемого безнейтринным двойным бета-распадом. Результаты эксперимента показали, что этот процесс невообразимо редок, но новый предлагаемый поиск, получивший название Next EXO (nEXO), продолжит поиск с использованием детектора, аналогичного LZ.
Другой вид электрической сети
Независимо от того, какая благородная жидкость заполняет детектор, сложная система обнаружения имеет решающее значение, если ученые когда-либо надеются найти что-то вроде темной материи. Выше и ниже башни жидкого ксенона для эксперимента LZ расположены большие высоковольтные сетки, которые создают электрические поля в детекторе. Если частица темной материи столкнется с атомом ксенона и выбьет несколько электронов, она высвободит часть электронов из атома и отдельно создаст вспышку света, которая может быть обнаружена фотодетекторами, объяснил Райан Линехан, недавний доктор философии. выпускник группы LZ SLAC, который помогал разрабатывать высоковольтные сети. Электрические поля, проходящие через детектор, направляют свободные электроны вверх в тонкий слой газа в верхней части цилиндра, где они создают второй световой сигнал. «Мы можем использовать этот второй сигнал вместе с исходным сигналом, чтобы узнать много информации о положении, энергии, типе частиц и многом другом», — сказал Линехан.
Но это не обычные электрические сети — они несут напряжение в десятки тысяч вольт, такое высокое, что любые микроскопические частицы пыли или мусора на проводной сети могут вызвать спонтанные реакции, которые вырывают электроны из самого провода, сказал Линехан. «И эти электроны могут создавать сигналы, которые выглядят точно так же, как электроны, исходящие от ксенона», тем самым маскируя сигналы, которые они пытаются обнаружить.
По словам Линехана, исследователи придумали два основных способа минимизировать вероятность получения ложных сигналов от сетей. Во-первых, команда использовала химический процесс, называемый пассивацией, чтобы удалить железо с поверхности проводов сетки, оставив поверхность, богатую хромом, которая снижает тенденцию провода испускать электроны. Во-вторых, чтобы удалить любые частицы пыли, исследователи тщательно — и очень осторожно — опрыскивали решетки деионизированной водой непосредственно перед установкой. «Вместе эти процессы помогли нам довести сети до состояния, когда мы действительно могли получать четкие данные», — сказал он.
Команда LZ опубликовала свои первые результаты онлайн в начале июля, продвинув поиск темной материи дальше, чем когда-либо прежде. Линехан и Акериб сказали, что они впечатлены тем, чего удалось добиться благодаря глобальному сотрудничеству LZ. «Вместе мы узнаем что-то фундаментальное о Вселенной и природе материи», — сказал Акериб. — И мы только начинаем. Усилия LZ в SLAC возглавляет Акериб вместе с Марией Еленой Монзани, ведущим научным сотрудником SLAC и заместителем операционного менеджера LZ по вычислениям и программному обеспечению, и Томасом Шаттом, который был представителем-основателем сотрудничества LZ.
