|
Более строгие ограничения на темную материю
|
|
|
|
Предполагается, что темная материя, тип материи, который не излучает, не поглощает и не отражает свет, составляет большую часть массы Вселенной. Хотя теоретические прогнозы указывают на его изобилие, обнаружить это неуловимое вещество до сих пор было очень сложно, что оставляло загадкой его состав и происхождение.
|
|
|
|
Одна из широко изученных гипотез заключается в том, что темная материя состоит из слабо взаимодействующих массивных частиц, или, сокращенно, вимпов. Предполагается, что эти частицы взаимодействуют с обычной материей только через гравитацию и, возможно, через слабые ядерные взаимодействия.
|
|
|
|
Эксперимент LUX-ZEPLIN (LZ) - это крупномасштабное исследование, направленное на поиск сигналов, связанных с присутствием WIMP, с использованием сложного детектора, известного как двухфазная ксеноновая камера временной проекции. Исследователи, участвовавшие в эксперименте, недавно опубликовали свои последние результаты в статье в журнале Physical Review Letters, которая устанавливает более жесткие ограничения на более легкие частицы темной материи, которые могли бы получить энергию после столкновения с космическими лучами.
|
|
|
|
"Основной научной целью этой работы было изучение возможности обнаружения более легких частиц темной материи, чем обычные WIMP", - сказал Юнхэн Сюй, участник коллаборации LZ collaboration.
|
|
|
|
|
|
|
"Более легкие частицы темной материи сложно исследовать в обычных условиях без усиления. Концептуализация сформировалась в результате постоянных дискуссий с теоретиками, которые помогли усовершенствовать концепцию и определить возможные экспериментальные признаки в эксперименте LZ".
|
|
|
|
Эксперимент LZ уже добился значительных успехов в поиске гипотетических частиц темной материи. Недавно коллаборация LZ установила самые жесткие на сегодняшний день ограничения на WIMP, однако детектор, используемый в эксперименте, может также использоваться для поиска других кандидатов на темную материю.
|
|
|
|
"Детектор демонстрирует беспрецедентную чувствительность к широкому спектру новых или редких физических явлений, и мы намерены в полной мере использовать это для расширения поиска частиц темной материи", - пояснил Айхам Аль Мусалхи, участник коллаборации LZ.
|
|
|
|
"Взаимодействие с частицами темной материи малой массы может быть сложно обнаружить, поэтому мы рассматриваем сценарий, при котором рассеяние космических лучей в Млечном Пути дает достаточно энергии, чтобы перевести их в более доступный энергетический режим. Это похоже на разбивку лагеря возле бейсбольного стадиона, чтобы ловить заблудившихся хоумранов".
|
|
|
|
Детектор, используемый LZ collaboration, представляет собой двухфазную камеру временной проекции с жидким ксеноном, заполненную жидким и газообразным ксеноном, расположенную в подземном исследовательском центре Сэнфорда (SURF) в Южной Дакоте. Этот детектор может обнаруживать крошечные вспышки света и сигналы ионизации, которые возникают при взаимодействии частиц с атомами ксенона.
|
|
|
|
"В ходе нашего поиска мы искали редкие случаи ядерной отдачи, которые могли быть вызваны частицами темной материи, разогнанными космическими лучами до релятивистской скорости, — нетрадиционный, но многообещающий признак, выходящий за рамки стандартных моделей темной материи", - пояснил Сюй.
|
|
|
|
В рамках эксперимента LZ Сюй, Аль Мусалхи и их коллеги искали специфические низкоэнергетические сигнатуры в данных, собранных SURF. Они ожидали, что эти сигнатуры возникнут в результате столкновений между частицами темной материи и ядрами в плотном жидком ксеноне внутри их детектора.
|
|
|
|
"Мы можем наблюдать эти сигнатуры в нашей двухфазной ксеноновой камере временной проекции, которая способна обнаруживать отдельные фотоны и электроны с помощью двух матриц фотоэлектронных умножителей", - пояснил Аль Мусалхи.
|
|
|
|
"Природа этих сигналов, которая отличается в зависимости от рассматриваемого кандидата в темную материю, хорошо предсказана многими теоретическими работами в литературе, а также моделированием, основанным на измерениях космических лучей".
|
|
|
|
Хотя исследователи не наблюдали никаких избыточных событий, которые могли бы быть связаны с исследуемыми ими взаимодействиями, они в конечном счете наложили новые ограничения на частицы темной материи, которые могли быть усилены столкновениями с космическими лучами. В будущих экспериментах они увеличат время работы детектора, а также проведут поиск других кандидатов на темную материю.
|
|
|
|
"В настоящее время мы достигаем замечательного соответствия между нашими данными и исходными моделями", - сказал Сюй. "Это подчеркивает наше детальное понимание детектора и его реакции. Этот уровень контроля не только придает уверенности нашему нулевому результату, но и позволяет нам установить значимые ограничения на ранее неисследованную область пространства параметров, помогая направить будущие поиски темной материи в более перспективном направлении".
|
|
|
|
Новые результаты, опубликованные коллаборацией LZ, вскоре могут послужить основой для других поисков частиц темной материи, ускоряемых космическими лучами, с массами менее 1 ГэВ/с2. Фактически, команда установила новые ограничения на степень, в которой эти частицы могут взаимодействовать с обычной материей, исключив взаимодействия, превышающие 3,9*10^-33 см2, с 90%-ной степенью достоверности.
|
|
|
|
"Как и при любом поиске редких физических явлений, нулевой результат не обязательно является плохим; он указывает нам, где не стоит искать (какие модели мы уже протестировали и исключили)", - сказал Аль Мусалхи. - Мы исключили значительное количество параметров для этих конкретных моделей, хотя многое еще предстоит исследовать в течение более длительного периода эксплуатации и с помощью более мощных детекторов следующего поколения".
|
|
|
|
Коллаборация LZ продолжает работать над дальнейшим повышением чувствительности детектора, который в настоящее время находится в SURF. В будущем эксперимент может проверить достоверность различных других моделей темной материи, что потенциально прольет новый свет на природу темной материи.
|
|
|
|
"Получив глубокое представление о нашем замечательном детекторе, мы хотели бы еще больше расширить его возможности", - сказал Сюй. "Мы рады возможности использовать этот мощный инструмент для изучения более широкого спектра новых физических явлений, которые приводят к редким и экзотическим явлениям в нашем детекторе, продолжая поиск новых физических явлений, скрывающихся в самых тихих уголках Вселенной".
|
|
|
|
Ожидается, что эксперимент LZ продлится до 2028 года. Собрав еще больше данных, исследователи смогли бы еще больше сузить диапазон параметров, на которых следует сосредоточить внимание в будущих исследованиях темной материи.
|
|
|
|
"Всегда есть что сделать для улучшения этого анализа, например, использовать направленность галактических космических лучей относительно вращения Земли, что привело бы к звездной суточной модуляции сигнала, чтобы еще больше сузить область применения", - добавил Аль Мусалхи.
|
|
|
|
Источник
|
