Исследователи с LUX ищут WIMP или слабовзаимодействующие массивные частицы, которые являются одними из ведущих кандидатов на роль темной материи. «Мы улучшили чувствительность LUX более чем в 20 раз для маломассивных частиц темной материи, что значительно расширило нашу способность искать WIMP», — сказал Рик Гейтскелл, профессор физики в Университете Брауна и со-спикер LUX. эксперимент. «Жизненно важно, чтобы мы продолжали расширять возможности нашего детектора в поисках неуловимых частиц темной материи», — сказал Гайтскелл.Усовершенствования LUX в сочетании с продвинутым компьютерным моделированием в Национальном вычислительном центре энергетических исследований (NERSC) Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (Berkeley Lab) Министерства энергетики США и Центре вычислений и визуализации (CCV) Университета Брауна позволили ученым протестировать дополнительные частицы. модели темной материи, которые теперь можно исключить из поиска.
NERSC также хранит большие объемы данных LUX, измеряемые триллионами байтов или терабайт, и Berkeley Lab играет все более важную роль в сотрудничестве с LUX.Ученые уверены, что темная материя существует, потому что эффекты ее гравитации можно увидеть во вращении галактик и в том, как свет изгибается во Вселенной.
Поскольку считается, что WIMP взаимодействуют с другими веществами только в очень редких случаях, их еще предстоит обнаружить напрямую.«Мы искали частицы темной материи в течение первых трех месяцев эксперимента, но используем новые методы калибровки, чтобы лучше понять, как они будут выглядеть для нашего детектора», — сказал Аластер Карри из Имперского колледжа Лондона, исследователь LUX. «Эти калибровки углубили наше понимание реакции ксенона на темную материю и фон.
Это позволяет нам с большей уверенностью искать частицы, которые, как мы раньше не знали, будут видны LUX».Новое исследование описано в статье, представленной в Physical Review Letters. В работе пересматриваются данные, собранные в течение первых трех месяцев LUX в 2013 году, и помогает исключить возможность обнаружения темной материи в диапазонах малых масс, где другие эксперименты ранее сообщали о потенциальных обнаружениях.
LUX состоит из одной трети тонны жидкого ксенона, окруженного чувствительными детекторами света. Он предназначен для выявления очень редких случаев, когда частица темной материи сталкивается с атомом ксенона внутри детектора.
Когда происходит столкновение, атом ксенона отскакивает и испускает крошечную вспышку света, которая регистрируется датчиками света LUX. Расположение детектора в лаборатории Сэнфорда под скалой длиной в милю помогает защитить его от космических лучей и другого излучения, которое могло бы помешать сигналу темной материи.Пока LUX не обнаружил сигнал темной материи, но его исключительная чувствительность позволила ученым практически исключить обширные диапазоны масс, в которых могут существовать частицы темной материи. Эти новые калибровки еще больше увеличивают эту чувствительность.
В одном методе калибровки нейтроны использовались в качестве замены частиц темной материи. Отражение нейтронов от атомов ксенона позволяет ученым количественно оценить, как детектор LUX реагирует на процесс отдачи.«Это похоже на гигантскую игру в пул с нейтроном в качестве битка и атомами ксенона в виде полос и твердых частиц», — сказал Гайтскелл. «Мы можем отслеживать нейтрон, чтобы определить детали отдачи ксенона и откалибровать отклик LUX лучше, чем что-либо ранее».Считается, что природа взаимодействия между нейтронами и атомами ксенона очень похожа на взаимодействие между темной материей и ксеноном. «Просто частицы темной материи взаимодействуют гораздо слабее — примерно в миллион-миллион-миллион-миллион раз слабее», — сказал Гайтскелл.
Нейтронные эксперименты помогают откалибровать детектор на взаимодействие с ядром ксенона. Но ученые LUX также откалибровали реакцию детектора на выделение небольшого количества энергии пораженными атомными электронами. Для этого в детектор вводят меченный тритием метан — радиоактивный газ.«В типичном научном исследовании большая часть того, что видит LUX, — это фоновые события отдачи электронов», — сказал Картер Холл, профессор Университета Мэриленда. «Тритированный метан — удобный источник подобных событий, и теперь мы изучили сотни тысяч его распадов в LUX.
Это дает нам уверенность в том, что мы не будем путать эти разнообразные события с темной материей».Другой радиоактивный газ, криптон, был введен, чтобы помочь ученым различать сигналы, производимые окружающей радиоактивностью, и потенциальный сигнал темной материи.
«Криптон равномерно смешивается с жидким ксеноном и испускает излучение с известной удельной энергией, но затем быстро распадается до стабильной, нерадиоактивной формы», — сказал Дэн МакКинси, профессор физики Калифорнийского университета в Беркли и со-спикер LUX, который также является партнером Berkeley Lab. Точно измеряя свет и заряд, производимые этим взаимодействием, исследователи могут эффективно отфильтровывать фоновые события из своих поисков.«Итак, поиски продолжаются», — сказал McKinsey. «LUX снова находится в режиме обнаружения темной материи в Sanford Lab.
Последний запуск начался в конце 2014 года и, как ожидается, продлится до июня 2016 года. Этот запуск представляет собой увеличение экспозиции более чем в четыре раза по сравнению с нашим предыдущим запуском в 2013 году. Мы будем очень рады увидеть, проявились ли в новых данных какие-либо частицы темной материи ».McKinsey, ранее работавший в Йельском университете, присоединился к Калифорнийскому университету в Беркли и Berkeley Lab в июле в сопровождении членов своей исследовательской группы.
Sanford Lab — это объект, принадлежащий Южной Дакоте. Homestake Mining Co. пожертвовала свой золотой рудник в Lead Управлению науки и технологий Южной Дакоты (SDSTA), которое вновь открыло объект в 2007 году за счет финансирования в размере 40 миллионов долларов от законодательного собрания штата Южная Дакота и пожертвования в размере 70 миллионов долларов от филантропа Т. Денни Сэнфорда. . Министерство энергетики США (DOE) поддерживает деятельность Sanford Lab.Кевин Леско, который курирует операции SURF и возглавляет группу исследования темной материи в лаборатории Беркли, сказал: «Приятно видеть, что эксперименты, установленные в SURF, продолжают давать лучшие в мире результаты».
Научное сотрудничество LUX, которое поддерживается Министерством энергетики и Национальным научным фондом (NSF), включает 19 исследовательских университетов и национальных лабораторий в США, Великобритании и Португалии.«Глобальный поиск темной материи направлен на то, чтобы ответить на один из самых важных вопросов о структуре нашей Вселенной. Мы гордимся тем, что поддерживаем сотрудничество LUX и поздравляем их с достижением еще более высокого уровня чувствительности», — сказал Майк Хедли, исполнительный директор SDSTA.Планирование эксперимента с темной материей следующего поколения в лаборатории Сэнфорда уже ведется.
В конце 2016 года LUX будет выведен из эксплуатации, чтобы освободить место для нового, гораздо более крупного ксенонового детектора, известного как эксперимент LUX-ZEPLIN (LZ). LZ будет иметь 10-тонную мишень из жидкого ксенона, которая поместится внутри того же резервуара с чистой водой емкостью 72 000 галлонов, используемого LUX. Ученые из лаборатории Беркли будут играть ведущую роль в сотрудничестве LZ.
"Нововведения эксперимента LUX составляют основу эксперимента LZ, который, как планируется, позволит повысить чувствительность более чем в 100 раз по сравнению с LUX. Эксперимент LZ настолько чувствителен, что должен начать обнаруживать тип нейтрино, исходящий от Солнца, который даже По словам представителя LZ Гарри Нельсона из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, эксперимента Рэя Дэвиса, получившего Нобелевскую премию, не удалось обнаружить.