Команда международных ученых, участвовавших в проекте, продемонстрировала чувствительность своего детектора и записала результаты, которые бросают вызов нескольким моделям темной материи и давним утверждениям об обнаружении темной материи. Статьи с подробным описанием результатов будут опубликованы в следующих выпусках журналов Science и Physical Review Letters.Темная материя — это обильная, но невидимая материя во Вселенной, которая считается ответственной за гравитационную силу, которая удерживает галактику Млечный Путь вместе, сказал Рафаэль Ланг, доцент физики в Университете Пердью, принимавший участие в исследовании.«Наша галактика вращается как невероятно быстрая карусель, и звезды, планеты и другие объекты разлетались бы в разные стороны, если бы не гравитационное притяжение», — сказал он. «Когда мы вычисляем гравитацию каждой известной массы, ее силы далеко не достаточно, чтобы удерживать галактику вместе.
Темная материя — это то, что составляет разницу».Хотя команда не обнаружила темную материю, возможности, продемонстрированные детектором XENON100, обнадеживают. По словам Ланга, высокая чувствительность, продемонстрированная в результатах экспериментов, может освободить международную исследовательскую группу от необходимости ограничивать анализ только частью собранных данных.
«Представьте себе поиск очень слабого и неуловимого сигнала темной материи во многих событиях из различных источников фона», — сказал Ланг. «Это похоже на поиск иголки в стоге сена. Хотя в большинстве экспериментов используется огромная куча сена, наш детектор настолько резкий, а фон настолько низкий, что наш стог сена маленький, и мы можем легко рассмотреть каждый кусок сена. Мы не нужно выбирать, какую часть данных мы оцениваем; мы можем посмотреть на каждое событие. Это открывает нам дверь, чтобы найти доказательства темной материи в неожиданном месте или в форме, которую мы не рассматривали, что хорошо, потому что никто еще не знает, что такое темная материя ".
Ученые из проекта темной материи под названием Dark Matter Large Sodium Iodide Bulk for Rare Processes, называемого проектом DAMA / LIBRA, заявили, что обнаружили темную материю в 1998 году. Команда наблюдала сигналэто менялось в зависимости от времени года, как и ожидается для темной материи, поскольку орбита Земли вокруг Солнца изменяет скорость, с которой она проходит через ореол темной материи, окружающий Млечный Путь, сказал Ланг. Однако другие команды, ищущие темную материю, не наблюдали такого же сигнала.
Команда DAMA / LIBRA предположила, что другие группы могут не замечать сигнал, потому что темная материя неожиданным образом взаимодействует с атомами детектора. Было высказано предположение, что темная материя может быть лептофильной, что означает, что она предпочитает взаимодействовать с электронами, сказал он.«Традиционно« дымящимся пистолетом »темной материи считалось рассеяние частиц темной материи на ядрах атомов материала детектора», — сказал Иоахим Копп, профессор теоретической физики элементарных частиц в Университете Йоханнеса Гутенберга в Майнце. не является частью сотрудничества XENON. «В самом деле, это то, что предсказывают многие хорошо мотивированные модели темной материи, такие как суперсимметрия. Однако в последние годы мы начали все больше и больше осознавать тот факт, что темная материя может вести себя по-разному во многих отношениях».
Экспериментальные аномалии, такие как противоречивый годовой сигнал модуляции, наблюдаемый в проекте DAMA / LIBRA, не могут быть объяснены традиционным рассеянием темной материи на атомных ядрах, но их можно легче приспособить, если темная материя рассеивается преимущественно электронами или если большая часть энергии выделяется в темной материи. По его словам, рассеяние происходит в форме фотонов.«Долгое время считалось невозможным протестировать такую модель, поскольку рассеяние частиц темной материи на электронах или испускание фотонов гораздо труднее отличить от радиоактивного фона», — сказал Копп. «Детекторы жидких благородных газов, такие как XENON100, теперь устанавливают новый золотой стандарт в этом деле».Эксперимент XENON100 смог проверить теории, которые другие не могли понять из-за низкого уровня фоновых событий, которых он достиг, сказал Люк Гетцке, научный сотрудник Колумбийского университета, который был ведущим исследователем эксперимента XENON100, подробно описанного в Physical Review Letters.
«Материал, используемый в детекторе XENON100, и материал, используемый в проекте DAMA / LIBRA, очень похожи с точки зрения их электронных конфигураций, поэтому, если темная материя взаимодействует с одним, она будет взаимодействовать почти таким же образом с другим», — сказал он. сказал. «Однако детектор XENON100 настолько удивительно чувствителен, что сигнал будет намного более четким. Мы его не видели, и, учитывая наши текущие знания и понимание физики, поскольку мы не видели его, нет никакого способа объяснить загадочный сигнал как лептофильная темная материя ".По его словам, несмотря на то, что данные XENON100 не показали такого же сигнала, как тот, который наблюдался в проекте DAMA / LIBRA, данные действительно показали другую и слабую годовую модуляцию.«Наблюдаемая нами модуляция вызывает некоторые вопросы, и меня это волнует», — сказал Гетцке. «Это означает, что мы раздвигаем границы нашего понимания, и это то, что делает исследования физики интересными.
Я очень рад увидеть первые данные эксперимента XENON1T, которые выходят далеко за рамки и без того потрясающих результатов XENON100».Эксперимент проводится международным сотрудничеством 120 ученых из 22 институтов по всему миру и возглавляется профессором астрофизики Колумбийского университета Еленой Априле.Этой осенью команда развернет детектор нового поколения под названием XENON1T, который, как ожидается, будет в 100 раз более чувствительным, чем XENON100. По ее словам, сам детектор будет в 20 раз больше и будет включать в себя ряд технологических усовершенствований.
«Из результатов XENON100 мы знаем намного больше о том, чем не является темная материя, что является очень ценной информацией в области физики элементарных частиц», — сказал Априле. «Мы исключили модели с наиболее сильным ожидаемым взаимодействием темной материи, и с детектором XENON1T мы сможем протестировать модели с более слабым ожидаемым взаимодействием и уловить даже самый слабый намек на темную материю. Результаты этих экспериментов означают, что Если это подходящее место для поиска признаков темной материи, мы сможем их увидеть ».
Цель экспериментов XENON100 и XENON1T — уловить сигнатуры темной материи, которая течет через Землю, когда она движется в космосе. Чтобы защитить детекторы от космического излучения, которое может создавать фоновые события, они расположены под горой в Национальной лаборатории Гран-Сассо в Италии, крупнейшей в мире подземной лаборатории. В детекторах используется благородный газ ксенон, который хранится в жидком состоянии в контейнере из нержавеющей стали, защищенном и погребенном под одной милей скалы. Детектор оснащен электроникой, которая может обнаруживать даже отдельные электроны и фотоны, генерируемые в любом месте ксенона, сказал Ланг.
Эксперимент XENON — это сотрудничество 120 ученых, представляющих 24 разных национальности и 22 учреждения по всему миру. Кроме того, по его словам, в коллаборации работают около 60 аспирантов.Участвующие учреждения включают: Колумбийский университет; Университет Пердью; Политехнический институт Ренсселера; Университет Райса; Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе; Калифорнийский университет в Сан-Диего; Чикагский университет; Национальный институт ядерной физики, Болонья, Италия; Национальный институт ядерной физики, Лаборатории национале дель Гран Сассо, Аквила, Италия; Национальный институт ядерной физики, Турин, Италия; Болонский университет, Италия; Университет Йоханнеса Гутенберга, Майнц, Германия; Max-Planck-Institut fur Kernphysik, Гейдельберг, Германия; Мюнстерский университет, Германия; Бернский университет, Швейцария; Цюрихский университет, Швейцария; Нихеф GRAPPA / Амстердамский университет, Нидерланды; Субатек, Нант, Франция; Стокгольмский университет, Швеция; Институт науки Вейцмана, Реховот, Израиль; NYU Абу-Даби, Объединенные Арабские Эмираты; и Коимбрский университет, Португалия.
Эксперимент поддерживается Национальным научным фондом, Министерством энергетики, Швейцарским национальным научным фондом, Фондом Volkswagen, Bundesministerium fur Bildung und Forschung, Max Planck Gesellschaft, Исследовательским центром элементарных сил и математических основ, Фондом фундаментальных исследований материи, Институтом Вейцмана. Наука, Сеть начального обучения Invisibles, Fundacao para a Ciencia ea Tecnologia, Region des Pays de la Loire, Комиссия по науке и технологиям муниципалитета Шанхая, Национальный фонд естественных наук Китая и Istituto Nazionale di Fisica Nucleare.