Глубоко под землей самый чувствительный в мире детектор темной материи сужает охоту за неуловимыми «вимпами»
В глубокой подземной лаборатории учёные приближаются к разгадке таинственной природы тёмной материи. Эксперименты, проводимые в подземном каверне Санфордского подземного исследовательского центра в Южной Дакоте, помогают исследователям изучать слабовзаимодействующие массивные частицы, или вимпы — один из основных кандидатов на роль этой загадочной субстанции. Чрезвычайная чувствительность детектора LUX-ZEPLIN, самого чувствительного в мире детектора тёмной материи, позволила исследователям зафиксировать одни из самых слабых потенциальных сигналов из когда-либо записанных. Собранные данные прокладывают путь к созданию более точных моделей Вселенной и сужают поиск этой неуловимой несветящейся материи.
Несмотря на широкое согласие относительно важности тёмной материи для Вселенной, которая составляет более четверти всего существующего, её существование остаётся теоретическим. Чтобы напрямую доказать существование тёмной материи, исследователи стремятся получить прямые наблюдения за этим материалом. Новая работа объединяет результаты недавнего 220-дневного цикла работы детектора LZ с 60 днями из первого запуска, предлагая первые выводы. Ожидается, что эксперимент продлится до 2028 года, в конечном итоге собрав 1000 дней данных.
Внутри детектора LZ десять тонн чистого жидкого ксенона размещены в двух вложенных резервуарах, создавая экранированную среду для обнаружения слабых сигналов без помех. Как следует из их названия, вимпы производят чрезвычайно слабые сигналы, часто погребённые в фоновом шуме. Эксперимент направлен на захват света и электронов, испускаемых при взаимодействии вимпов с ядрами ксенона. Внешний детектор, состоящий из акриловых контейнеров, заполненных жидким сцинтиллятором с добавлением гадолиния, помогает идентифицировать такие редкие взаимодействия.
Шум проявляется во многих формах, и каждая из них устраняется своим способом. Подземное расположение защищает детектор от космических лучей, а использование строительных материалов с низкой радиацией минимизирует локальные помехи. Многослойная конструкция блокирует радиацию и помогает отслеживать частицы, что облегчает различение подлинных сигналов тёмной материи от имитирующих. Дополнительные меры предосторожности дополнительно снижают любой случайный шум. Основная задача внешнего детектора — идентифицировать два наиболее серьезных источника шума: нейтроны и радон. Именно их взаимодействие с детектором больше всего похоже на сигналы от вимпов.
Чтобы исключить влияние бессознательной предвзятости, команда применила метод «подсаливания» данных. Его суть заключается в том, что в исходный массив данных заранее вносятся фиктивные сигналы, имитирующие обнаружение вимпов. Эти сигналы впоследствии удаляются, но сам процесс позволяет проверить, способна ли аналитическая система достоверно отличать подлинные события от сфабрикованных. Благодаря этим тщательным мерам, направленным на изучение одного из самых слабых детектируемых явлений во Вселенной, учёные вплотную приблизились к ответу на вопрос, что такое вимпы и являются ли они частицами тёмной материи. Несмотря на то, что впереди ещё много работы, уже сейчас собранные данные позволяют исследователям уточнять фундаментальные модели Вселенной и сужать круг поисков как самой тёмной материи, так и других проявлений экзотической физики.