Самый чувствительный в мире детектор темной материи запущен и готов к исследованию одной из самых загадочных тайн Вселенной. Эксперимент LUX-ZEPLIN (LZ), чувствительность которого более чем в 50 раз выше, чем у его предшественников, тихо притаился на глубине одной мили под землей в ожидании гипотетических частиц темной материи.
Уже более ста лет назад ученые поняли, что наши наблюдения за Вселенной не соответствуют теории Стандартной модели. Появляются все новые доказательства существования невидимой материи, воздействующей с помощью гравитации на видимые нами объекты. Но, к сожалению, пока эту так называемую "темную материю" обнаружить не удалось.
И это не связано с малым количеством попыток. На протяжении десятилетий многие ученые проводили эксперименты, пытаясь различными способами обнаружить её присутствие, но так ничего и не добились. Впрочем, отсутствие результата - тоже результат. Каждый из таких экспериментов помог исключить частицы-кандидаты с определенными массами или другими свойствами, постепенно сужая круг поиска для нового поколения детекторов темной материи.
И вот оно свершилось! Самое современное оборудование по обнаружению темной материи введено в эксплуатацию! Эксперимент LUX-ZEPLIN, как следует из названия, является преемником двух предыдущих проектов, LUX и ZEPLIN, однако последняя версия, по меньшей мере, в 50 раз более чувствительна к потенциальным сигналам темной материи, чем ее предшественники.
LZ ведет поиск особых кандидатов на роль представителей темной материи - слабо взаимодействующих массивных частиц (WIMPs), которые, согласно гипотезе, образовались в момент Большого Взрыва и возможно существуют и сегодня. Если это так, то они должны взаимодействовать с обычной материей посредством гравитации и слабым воздействием ядерных сил, создавая астрономические аномалии, связанные с темной материей.
Эти частицы, перемещаясь по космосу, в основном игнорируют обычную материю, проходя сквозь целые планеты и звезды системы. Но иногда, исключительно редко, одна из них сталкивается с ядром атома, генерируя сигнал, который можно обнаружить с помощью соответствующего оборудования.
И LZ - это именно то оборудование. В эксперименте используется колоссальный массив атомов, предназначенный для "вторжения" WIMPs. Он окружен множеством датчиков, которые отслеживают любые подобные события. В качестве мишени используется резервуар со сверхчистым жидким ксеноном. Если в него врежется странствующий WIMP, он испустит вспышку света и потеряет электрон, что тут же будет зафиксировано сенсорами устройства. Установка построена в 1,5 км под землей и помещена в большой резервуар с водой. Это сделано для защиты технологии от других частиц, таких как нейтроны, которые могут вызвать ложные срабатывания.
В принципе, такая конструкция использовалась в экспериментах LUX и ZEPLIN, за исключением некоторых нюансов. Во-первых, теперь резервуар намного больше (если в оригинальном LUX использовалось 370 кг ксенона, то в LUX-ZEPLIN около 7 тонн), что значительно повышает его чувствительность.
Во-вторых, для того, чтобы отличить события, порождаемые обычными частицами, от возможных сигналов WIMP, во внешнем резервуаре с водой поместили множество датчиков, способных распознать подобные "классические процессы". Таким образом, любые изменения параметров ксенона, сопровождающиеся сигналами в воде, могут быть "исключены из кандидатов в темную материю".
Все эти усовершенствования позволили более чем в 50 раз повысить чувствительность LZ по сравнению с предыдущими экспериментами, что дает ему право претендовать на звание самого чувствительного детектора темной материи в мире.
LZ проработал в тестовом режиме 60 дней, начиная с декабря 2021 года, и за это время пока не обнаружил никаких событий, выходящих за рамки фонового шума. Однако это лишь начало! Ожидается, что эксперимент будет собирать данные в течение 1 000 дней.
Вполне может быть, что к тому времени, когда он завершится, мы наконец-то получим ответ на эту космическую мистерию.
Результаты тестовых испытаний были зарегистрированы в качестве препринта на ресурсе ArXiv.
Источники: Sanford Underground Research Facility, LUX-ZEPLIN, Imperial College London, Википедиа
(https://lz.lbl.gov/)
(https://arxiv.org/abs/2207.03764)
(https://ru.wikipedia.org/wiki/Вимп)
(https://ru.wikipedia.org/wiki/Слабое_взаимодействие)
(https://www.imperial.ac.uk/news/238071/worlds-most-sensitive-dark-matter-detector/)
(https://www.sanfordlab.org/press-release/researchers-record-successful-startup-lux-zeplin-dark-matter-detector-sanford)