|
Новый детектор найдет неуловимую темную материю
|
|
|
|
Определение 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 (WIMP).
|
|
|
|
"Хотя мы всегда надеемся открыть новую частицу, для физики элементарных частиц важно, чтобы мы могли установить границы того, чем на самом деле может быть темная материя", - сказал физик-экспериментатор из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре Хью Липпинкотт. Ученые десятилетиями подозревали о существовании темной материи, но она остается загадочной субстанцией, которая, тем не менее, играет фундаментальную роль в структуре Вселенной
|
|
|
|
LZ охотится за темной материей из пещеры, расположенной почти в миле под землей в подземном исследовательском центре Сэнфорда (SURF) в Южной Дакоте. Новые результаты эксперимента позволяют исследовать более слабые взаимодействия темной материи, чем когда-либо исследовавшиеся ранее, и еще больше ограничивают возможности WIMP.
|
|
|
|
Результаты, опубликованные в журнале Physical Review Letters, анализируют данные за 280 дней: новый набор из 220 дней (собранных в период с марта 2023 по апрель 2024 года) в сочетании с 60 днями ранее, начиная с первого запуска LZ. В рамках эксперимента планируется собрать данные за 1000 дней, прежде чем он завершится в 2028 году.
|
|
|
|
|
|
|
Внутренняя часть LZ-детектора состоит из двух вложенных друг в друга титановых резервуаров, заполненных 10 тоннами прозрачного чистого жидкого ксенона, который настолько плотный, что создает высокоизолированную среду, свободную от "шума" внешнего мира и идеально подходящую для улавливания самых слабых сигналов, которые могут свидетельствовать о неисправности.
|
|
|
|
Предполагается, что WIMP попадет в ядро ксенона, заставив его двигаться, подобно удару бильярдного шара. Собирая свет и электроны, испускаемые при взаимодействии, LZ фиксирует потенциальные сигналы WIMP наряду с другими данными. Это жидкое ксеноновое ядро окружено гораздо большим внешним детектором (OD) — акриловыми емкостями, заполненными жидким сцинтиллятором, содержащим гадолиний.
|
|
|
|
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. Кроме того, новые сложные методы анализа помогают исключить фоновые взаимодействия.
|
|
|
|
UCSB был одной из групп-основателей в Лос-Анджелесе, возглавляемой физиком Гарри Нельсоном, который провел первую встречу в Лос-Анджелесе в 2012 году. В настоящее время команда состоит из преподавателей Липпинкотта и Нельсона, докторантов-исследователей Чами Амарасингхе и Ти Джей Уайтиса, а также аспирантов Джонхвы Ким, Макайлы Траск, Линдси Уилдрейер и Джордана Томаса.
|
|
|
|
Среди других участников исследования - недавно получивший степень доктора философии Джек Баргеманн, ныне научный сотрудник Тихоокеанской Северо-Западной национальной лаборатории, и бывший научный сотрудник бакалавриата Тарун Адвайт Кумар, ныне аспирант Института Периметра. Координатором исследования по физике был Скотт Хазелшвардт, который получил степень доктора философии в Калифорнийском университете в 2018 году и в настоящее время является доцентом Мичиганского университета.
|
|
|
|
Нейтроны, субатомные частицы, которые присутствуют в каждом атоме, за исключением водорода, являются одними из наиболее распространенных помех для сигналов WIMP. Нельсон и Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе руководили разработкой внешнего детектора LZ - важнейшего компонента, который позволяет в сотрудничестве исключить присутствие этих частиц и сделать возможным настоящее открытие.
|
|
|
|
"Сложность нейтронов в том, что они также взаимодействуют с ядрами ксенона, испуская сигнал, идентичный тому, который мы ожидаем от WIMP", - сказал Траск. "OD отлично обнаруживает нейтроны и подтверждает обнаружение WIMP, не давая никакого ответа". Наличие пульса в передозировке может помешать обнаружению идеального в других отношениях кандидата на обнаружение WIMP.
|
|
|
|
Радон также имитирует WIMP, и ученые должны быть бдительны в отношении него. "Радон подвергается определенной последовательности распада, некоторые из которых могут быть ошибочно приняты за WIMP", - сказал Баргеманн. "Одна из вещей, которую мы смогли сделать в ходе этого эксперимента, заключалась в том, что мы наблюдали за всем набором затуханий в детекторе, чтобы идентифицировать радон и избежать путаницы с "слабаками"".
|
|
|
|
Чтобы получить достоверный результат и устранить неосознанную предвзятость, сотрудники LZ collaboration применили технику под названием "соление", которая 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 режиму, в котором люди раньше не занимались поиском темной материи", - сказал Хасельшвардт. "Людям свойственно видеть закономерности в данных, поэтому, когда вы переходите к этому новому режиму, очень важно, чтобы в нем не было предвзятости. Если вы делаете открытие, вы хотите сделать его правильно".
|
|
|
|
Благодаря этим результатам поле возможных предположений о том, кем могут быть WIMP, резко сузилось, что позволило всем ученым, занимающимся поиском темной материи, лучше сфокусировать свои поиски и отказаться от неверных моделей функционирования Вселенной. Это долгая игра, в будущем предстоит собрать больше данных, и это не просто ускорит поиск темной материи.
|
|
|
|
"Наш эксперимент также чувствителен к редким событиям, имеющим корни в различных областях физики", - сказал Амарасингхе. "Некоторые примеры - солнечные нейтрино, захватывающие распады некоторых изотопов ксенона и даже другие типы темной материи. Теперь, когда мы достигли такого впечатляющего результата, я очень рад потратить больше времени на эти поиски".
|
|
|
|
"Физический факультет Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе имеет долгую историю поиска темной материи, начиная с одного из первых опубликованных результатов поиска в 1988 году", - сказал Нельсон. Среди предыдущих преподавателей были Дэвид Колдуэлл (ныне покойный) и Майкл Уизерелл, ныне директор лаборатории Лоуренса в Беркли. Дэвид Хейл (ныне на пенсии) стал пионером многих методов подавления ложных сигналов темной материи, которые в настоящее время используются в области поиска темной материи.
|
|
|
|
"Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе через физический факультет, Колледж литературы и естественных наук, администрацию и за счет частных пожертвований на протяжении десятилетий активно поддерживал усилия по изучению темной материи и вносил существенный вклад в развитие LZ".
|
|
|
|
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.
|
|
|
|
Источник
|
