Наука для всех простыми словами

Самый лучший сайт c познавательной информацией.

Самый чувствительный подземный детектор тёмной материи к поиску готов.

16.11.2015 в 05:34

( Технологии@Science_Newworld).

Подготовлен детектор крупнейшего эксперимента по поиску Wimp.

Международная коллаборация Xenon закончила работу над новым детектором Wimp - слабовзаимодействующих массивных частиц, кандидатов в частицы темной материи. Устройство установлено на глубине 1400 метров под горой гран сассо и представляет собой резервуар, заполненный жидким ксеноном. Исследователи отмечают, что это самый чувствительный на данный момент детектор Wimp
. К 2020 году его накопленная чувствительность сможет исключить или обнаружить существование тяжелых частиц темной материи, предсказанных в рамках суперсимметричных моделей. О детекторе рассказывает журнал Symmetry.


Новый детектор название Xenon1t получил. Он представляет собой цилиндр, высотой и радиусом в один метр, заполненный 3, 5 тоннами жидкого ксенона. Жидкость окружена высокочувствительными фотодетекторами, способными зафиксировать даже единичные фотоны, порожденные внутри устройства. Вне зависимости от того, как Wimp провзаимодействует с ксеноном - выбив его ядро или один из электронов, этот процесс будет сопровождаться ультрафиолетовым излучением и ионизацией. Внутри цилиндра создано сильное электрическое поле, способное направлять высвободившиеся электроны наверх, к крышке камеры, где они порождают вторую вспышку в сцинтилляционном слое.


По разнице во времени между двумя вспышками ученые смогут определить, какие именно взаимодействия произошли в детекторе и собрать статистику проявлений Wimp. По расчетам физиков, за год на каждую тонну ксенона можно ожидать одно такое событие. В том случае, если за первое время детектор не обнаружит проявлений темной материи, у исследователей есть возможность легко поднять его чувствительность, увеличив объем сверхчистого ксенона в камере до 7 тонн. Старт эксперимента назначен на март 2016.

Важнейшим условием для надежного обнаружения Wimp является отсутствие в камере побочных процессов, таких как взаимодействие с другими частицами извне и радиоактивных распадов внутри детектора. Поэтому помимо 1400 метров горной породы, Xenon1t окружен несколькими слоями воды, меди, свинца и других материалов, призванных защитить его от космических частиц. Помешать детектированию могут и примеси кислорода, способные захватывать электроны, а также радиоактивные изотопы криптона, которые чрезвычайно трудно отделить от ксенона. Чтобы избежать этого, инженеры установили в камере специальный фильтр, ежеминутно очищающий 100 литров ксенона.

Предшественники нового детектора, Xenon 10 и Xenon 100 содержали соответственно 25 и 160 килограмм жидкого ксенона. Самые крупные на сегодняшний день ксеноновые детекторы - LUX (большой подземный ксеноновый детектор, США) и Xmass - I (Япония) - содержат соответственно 370 и 835 килограмм вещества. Ни один из этих детекторов не обнаружил на данный момент статистически значимых сигналов Wimp.

Чувствительность Xenon1t и предполагаемые массы и сечения. Взаимодействия Wimp (серые области).

Области предполагаемых масс и сечений Wimp, исключенные различными экспериментами.

Чувствительность Xenon1t примерно на три порядка выше, чем у его предшественника, Xenon 100 и позволяет уверенно "Прощупать" большую часть Wimp, предсказанных минимальной суперсимметричной стандартной моделью, уже через два года работы. Однако существует ряд предположений, в которых эти частицы лежат вне области чувствительности нового детектора - например, если они еще слабее взаимодействуют с веществом, или же обладают существенно большей (более тысячи гэв) массой. Кроме того частицы темной материи могут быть и легкими, до 7 гэв, тогда детектор также не сможет их увидеть.

Wimp - одни из главных кандидатов на роль небарионной темной материи. Они представляют собой крайне массивные частицы (как минимум в десятки раз больше массы протона), почти не взаимодействующие с окружающим веществом. Их поиск ведется различными группами ученых, в частности и на большом адронном коллайдере. На данный момент есть лишь одно экспериментальное наблюдение, которое поддерживает гипотезу о существовании Wimp - эксперимент Dama, стартовавший 17 лет назад в гран сассо. Dama обнаружил сезонные вариации в сигналах детектора, которые ученые объясняют разницей в скорости земли относительно гало темной материи нашей галактики: в разных точках орбиты наша планета получает либо положительную, либо отрицательную добавку к своей скорости относительно центра млечного пути.

Самый чувствительный подземный детектор тёмной материи к поиску готов.
Гигантский резервуар с водой (слева), скрывающий внутри детектор тёмной материи и трёхэтажный научный комплекс (справа) (фото Xenon1t.
Международная команда физиков из национальной лаборатории гран - сассо (Laboratori Nazionali del Gran Sasso) объявила о начале эксперимента Xenon1t, в ходе которого, наконец, могут быть зарегистрированы неуловимые частицы тёмной материи. Ради этого исторического события на глубине 1400 метров под горным массивом в центральной части Италии был запущен самый чувствительный в мире детектор.
Напомним, что учёные подсчитали, что привычное для нас вещество, состоящее из атомов и молекул, занимает во вселенной лишь малую долю, а более 85% приходится на загадочную тёмную материю. Тем не менее, до сих пор эту субстанцию удавалось наблюдать лишь косвенно, по её гравитационному воздействию, которое регулирует динамику космических объектов.
Ожидается, что тёмная материя состоит из стабильных элементарных частиц, которые до сих пор не были обнаружены. Самым вероятным кандидатом на эту роль считаются слабовзаимодействующие массивные частицы, или "Вимпы", и именно их попытаются поймать физики в ходе нового эксперимента.
Детектор имеет криостат, содержащий 3, 5 тонны жидкого ксенона, охлаждённого до минус 100 градусов по цельсию. Чтобы свести к минимуму воздействие фоновой радиации, он окружён резервуаром с 700 тоннами очищенной воды. Прибор будет регистрировать крайне слабые вспышки света и изменения заряда, которые должны происходить каждый раз, когда вимпы, поступающие из центра млечного пути, будут сталкиваться с ядрами атомов ксенона. Для этого гигантский комплекс снабжён 248 сверхточными датчиками, способными обнаруживать даже единичные фотоны света. Ожидается, что этот инструмент будет в сорок раз чувствительнее, чем самый мощный на сегодняшний день детектор тёмной материи, установленный в США.
Учёные готовят детектор Xenon1t к работе (фото Xenon1t.
Сейчас учёные завершили установку и проводят первые испытания конструкции, а полноценный запуск устройства запланирован на конец марта. Как сообщается в пресс-релизе, сбор данных будет продолжаться две недели, и теоретически частицы тёмной материи могут быть обнаружены в любой момент после включения детектора.
"Для того чтобы увидеть редкие воздействия частиц темной материи, вы должны построить инструмент с большой массой и крайне низким радиоактивным фоном. В противном случае у вас не будет никаких шансов обнаружить необходимые события среди фонового шума, - поясняет один из участников проекта лука гранди (Luca Grandi) из чикагского университета. - Мы проводим эксперимент глубоко под землёй, чтобы километровый слой каменной породы оградил прибор от космического излучения".
Команда Xenon очень тщательно отбирала материалы, используемые в строительстве детектора, отслеживая, чтобы их изначальное заражение радиоактивными изотопами соответствовало требованиям эксперимента. Ведь ставка очень высока: если учёным удастся зарегистрировать вимпы, эта работа, бесспорно, войдёт в историю мировой науки. Даже если они получат лишь косвенные подтверждения таких взаимодействий, это станет хорошей основой для работ на следующем поколении детектора Xenonnt, который будет создан на той же базе. А вот в случае полной неудачи могут возникнуть большие сомнения в том, что поиск тёмной материи ведётся в правильном направлении.