Самый чувствительный в мире детектор темной материи LUX-ZEPLIN готов к поиску загадочных частиц

Самый чувствительный в мире детектор темной материи запущен и готов к разгадке одной из самых загадочных тайн Вселенной. Эксперимент LUX-ZEPLIN (LZ) с чувствительностью как минимум в 50 раз выше, чем у его предшественников, находится в 1,5 километрах под землей, ожидая признаков появления гипотетических частиц.

С течением времени ученые стали осознавать, что наши наблюдения за Вселенной не соответствуют тому, что предсказывает Стандартная модель. Появляется все больше свидетельств существования огромного количества невидимой материи, влияющей на то, что мы можем видеть, посредством гравитации. Но, к сожалению, эта так называемая «темная материя» по-прежнему ускользает от прямого обнаружения.

И это не из-за отсутствия попыток ее найти. На протяжении десятилетий многие эксперименты искали сигналы различными способами. Однако отрицательные результаты не являются полным провалом — каждый из них помогает исключить частицы-кандидаты с определенной массой или другими свойствами, сужая варианты поиска для следующего поколения детекторов темной материи.

Эксперимент LUX-ZEPLIN, как следует из названия, является преемником двух предыдущих экспериментов, LUX и ZEPLIN, но он как минимум в 50 раз более чувствителен к возможным сигналам темной материи, чем его предшественники.

LZ охотится за конкретным типом кандидата в темную материю, называемым слабо взаимодействующими массивными частицами (WIMP), которые, как предполагается, были созданы в ранней Вселенной и все еще существуют сегодня.

Если это так, то они будут взаимодействовать с обычной материей посредством гравитации и слабого ядерного взаимодействия, создавая астрономические аномалии, связанные с темной материей.

Дрейфуя по космосу, вимпы в основном игнорируют обычную материю, проходя сквозь целые планеты и даже через нас. Но иногда им приходится натыкаться на ядро ​​атома, производя сигнал, который можно обнаружить с помощью подходящего оборудования.

А LZ — подходящее оборудование. Эксперимент включает в себя огромный объем атомов, в которые могут врезаться вимпы, окруженный детекторами для наблюдения за любыми такими событиями.

Целью является резервуар сверхчистого жидкого ксенона, и если его потревожит блуждающий вимп, он испустит вспышку света и испустит электрон — оба события могут быть обнаружены датчиками в резервуаре. Объект построен на глубине 1,5 км под землей и заключен в большой резервуар с водой для защиты от других частиц, таких как нейтроны, которые производят ложные срабатывания.

Это та же базовая установка, которую использовали LUX и ZEPLIN, но в LZ есть несколько новых приемов. Во-первых, сам резервуар намного больше — если в оригинальном LUX для активного обнаружения использовалось 370 кг ксенона, то LZ содержит более 7 тонн, что значительно повышает его чувствительность.

Чтобы помочь отделить события, вызванные воздействием известных частиц, от потенциальных обнаружений WIMP, внешний резервуар для воды также содержит новый набор датчиков, которые могут обнаруживать, когда известные частицы проносятся через него. Таким образом, любые события в ксеноне, которые сопровождаются сигналами в воде, можно исключить как обнаружение темной материи.

В целом, эти достижения делают LZ более чем в 50 раз более чувствительным, чем его предшественники, и позволяют ему претендовать на нынешнее звание самого чувствительного в мире детектора темной материи.

LZ работал в тестовом режиме в течение 60 дней, начиная с декабря 2021 года, и за это время не обнаружил превышения ожидаемого фонового шума. Но это только начало, поскольку ожидается, что эксперимент будет собирать данные за 1000 дней в течение всего срока его службы.

Возможно, к тому времени, когда это будет сделано, мы, наконец, получим ответ на эту космическую загадку.

Данные тестового прогона были опубликованы в препринте на ArXiv.