Самый мощный детектор темной материи в мире дает первые результаты

LUX-ZEPLIN (LZ) - это физический эксперимент, в котором участвуют около 250 ученых из 35 институтов США, Великобритании, Португалии и Кореи. Он расположен примерно на глубине 1,6 километра под землей в подземном исследовательском центре Сэнфорд в Южной Дакоте. Это эксперимент второго поколения по обнаружению темной материи. Этот детектор, который сейчас считается самым чувствительным в мире, несколько дней назад представил свои первые научные результаты.

Темная материя - это гипотетический тип материи, которая, как считается, составляет почти 27% плотности энергии нашей Вселенной; поэтому она гораздо более многочисленна, чем обычная материя. Его существование проявляется в основном через гравитационные эффекты внутри галактик или скоплений галактик; она также является причиной флуктуаций, наблюдаемых в космическом микроволновом фоновом излучении. Однако, несмотря на десятилетия исследований, частицы темной материи остаются неуловимыми, и поэтому их природа остается загадкой.

Одно можно сказать точно: они очень слабо взаимодействуют с обычной материей, поэтому их так трудно обнаружить. Тем не менее ученые пытаются создать все более чувствительные детекторы. Детектор LZ сочетает в себе лучшие технологии двух предыдущих экспериментов: LUX (Large Underground Xenon) и ZEPLIN (ZonEd Proportional scintillation in LIquid Noble gas). Эти эксперименты не смогли обнаружить темную материю, но их чрезвычайная чувствительность позволила исключить несколько гипотез. LZ был разработан для улучшения этой чувствительности в 50 и более раз.

Детектор, защищенный от паразитного излучения

Эксперимент LUX-ZEPLIN проводится под руководством Национальной лаборатории Лоуренса Беркли. После нескольких лет проектирования и строительства команда проводила серию испытаний в течение более чем трех месяцев и теперь утверждает, что детектор является самым чувствительным в мире. Если темная материя действительно состоит из слабо взаимодействующих массивных частиц (Вимп) - как предполагает теория - то LZ, вероятно, сможет сделать первое обнаружение в ближайшие несколько лет. "У команды LZ теперь есть самый амбициозный инструмент, чтобы осуществить это", — сказала Натали Паланке-Делабруй, директор физического отдела Лаборатории Беркли.

Установка состоит из двух вложенных друг в друга титановых резервуаров, заполненных 10 тоннами жидкого ксенона высокой чистоты, за которыми наблюдают два массива фотоэлектронных умножителей (ФЭУ) - высокочувствительных детекторов фотонов. Резервуары также погружены в чан с очищенной водой и находятся глубоко под землей, чтобы защитить их от космической радиации или любого другого "паразитного" излучения, которое может маскировать сигналы темной материи. Даже если частицы темной материи очень слабо взаимодействуют с барионной материей, предполагается, что вероятность взаимодействия не равна нулю: возможно столкновение частицы с атомом ксенона.

Однако жидкий ксенон излучает вспышку света при столкновении с частицей - вспышку света, которая будет немедленно зарегистрирована ФЭУ. Теоретически, Вимп должен произвести такой же эффект: тогда исследователи зарегистрируют первый сигнал, вызванный этим сцинтилляционным фотоном. Кроме того, ударившийся атом должен в свою очередь столкнуться с соседними атомами, выбрасывая при этом электроны. Затем эти электроны будут направлены к поверхности жидкости электрическим полем; достигнув поверхности, где они столкнутся с тонким слоем газа ксенона, они произведут новую сцинтилляцию.

Лучшая надежда на обнаружение темной материи

Таким образом, каждое столкновение вызывает два последовательных световых сигнала, регистрируемых сверхчувствительными ФЭУ, расположенными вокруг детектора; анализ их свойств позволит охарактеризовать взаимодействие, в частности, точное место и тип частицы.

За три месяца испытаний команда не смогла собрать достаточно данных для обнаружения темной материи. Тем не менее эти предварительные эксперименты позволяют с уверенностью утверждать, что этот прибор является самым чувствительным из когда-либо созданных. Теперь он готов к работе и вполне может предоставить первые доказательства существования этой экзотической материи в ближайшие месяцы или годы. "В ближайшие несколько лет мы рассчитываем собрать примерно в 20 раз больше данных, так что мы только начинаем. Предстоит много научной работы, и это очень интересно", — сказал Хью Липпинкотт, представитель коллаборации LZ.

Это первая победа для ученых, которые работали над этим проектом: установка очень сложная, и теперь они видят, что все эти компоненты работают отлично. "Учитывая, что мы запустили его всего несколько месяцев назад и во время ограничений COVID-19, впечатляет, что мы уже увидели такие значительные результаты", — говорит Аарон Маналайсай из Лаборатории Беркли, координатор физики LZ.

Получив подтверждение правильного функционирования LZ и его систем, команда с нетерпением ждет начала крупномасштабных наблюдений в надежде, что частица темной материи столкнется с атомом ксенона очень скоро. И, возможно, мы наконец-то разгадаем тайну "недостающей материи" во Вселенной.