В подземной лаборатории Гран-Сассо в Италии физики из Университета Мюнстера и их коллеги по эксперименту XENONnT разработали технологию, которая в миллиард раз чище по уровню радиоактивности радона, чем естественный фон человеческого тела. Это достижение позволяет детектору «прислушиваться» к самым тихим сигналам Вселенной.

Эксперимент XENONnT — это одна из самых амбициозных попыток обнаружить гипотетические частицы темной материи, которые, как считают ученые, составляют около 85% массы Вселенной. Они не испускают, не поглощают и не отражают свет, что делает их невидимыми для обычных телескопов. Единственный способ их «увидеть» — зафиксировать крайне редкое столкновение такой частицы с ядром атома обычного вещества.Именно для этого и был создан детектор XENONnT — цилиндр, содержащий 8,5 тонн сверхчистого жидкого ксенона, охлажденного до температуры -95°C. Когда частица взаимодействует с атомом ксенона, она порождает крошечную вспышку света и высвобождает несколько электронов. Эти сигналы и есть основная цель.

Однако на пути к открытию стояла огромная проблема — естественная радиоактивность. Такие элементы, как радон, присутствуют повсюду: в воздухе, в строительных материалах и даже в самом теле человека. Их распад создает постоянный «шум» — фоновые события, которые маскируют собой редкие и слабые сигналы от темной материи. «Даже несколько атомов радона в нашем детекторе могли бы полностью заглушить искомые сигналы, — объясняет суть проблемы профессор Кристиан Вайнхаймер из Университета Мюнстера, под руководством которого велась работа.

Чтобы решить эту задачу, международная команда разработала и внедрила уникальную криогенную систему дистилляции. Эта установка работает как сверхчувствительный «фильтр», который непрерывно прогоняет через себя ксенон, отсеивая и удаляя атомы радона с беспрецедентной эффективностью. Система снизила концентрацию радона в активном объеме детектора до невероятно низкого уровня — 430 атомов на одну тонну жидкого ксенона. Для сравнения: радиоактивность от этого количества радона в миллиард раз ниже, чем естественная радиоактивность среднего человеческого организма.Измерения, подтвердившие этот рекорд, были независимо проведены высокоточной аппаратурой команды из Института ядерной физики Общества Макса Планка в Гейдельберге. Благодаря этой технологии, фон от радона в детекторе XENONnT сравнялся с фоном от солнечных нейтрино — частиц, которые рождаются в термоядерных реакциях в недрах Солнца и которые практически невозможно экранировать. Это значит, что ученые, наконец, убрали последнюю существенную помеху, создаваемую человеком, и теперь детектор работает на пределе фундаментальных физических ограничений.

«Это достижение открывает двери для создания детекторов следующего поколения, таких как планируемая установка XLZD, которая будет в десять раз больше XENONnT, — говорит профессор Вайнхаймер. — Теперь мы знаем, что можем масштабировать эксперимент, не теряясь в радиоактивном шуме». Охота на темную материю вступила в новую фазу. С самой чистой средой на планете у человечества появился реальный шанс приблизиться к разгадке одной из тайн мироздания и понять, из чего на самом деле состоит большая часть нашей Вселенной.