Первые результаты детектора темной материи LUX: поиск неуловимой темной материи

«LUX прокладывает путь к освещению природы темной материи», — сказал Рик Гайтскелл, профессор физики в Университете Брауна и со-спикер LUX. По словам Гайтскелла, расположение детектора, более чем в миле под землей в подземном исследовательском центре Сэнфорда в Южной Дакоте, предлагает «в высшей степени тихую» среду для обнаружения редких, слабых взаимодействий между частицами темной материи и обычной материей.

Первые результаты первоначального 90-дневного эксперимента были объявлены сегодня на семинаре в Sanford Lab in Lead, S.D.«За эти первые три месяца работы мы посмотрели, насколько хорошо работает детектор, и мы очень довольны тем, что видим», — сказал Гайтскелл, один из основателей эксперимента LUX. «Этот первый запуск демонстрирует лучшую чувствительность, чем любой предыдущий эксперимент, направленный на прямое обнаружение частиц темной материи».После завершения первоначального запуска LUX команда внесет несколько корректировок для точной настройки чувствительности устройства в ожидании нового 300-дневного запуска, которое начнется в 2014 году.

Считается, что темная материя составляет до 85 процентов материи во Вселенной. Но поскольку он редко взаимодействует с другими формами материи, его еще предстоит обнаружить напрямую. Ведущими кандидатами на роль частиц темной материи называют слабовзаимодействующие массивные частицы — WIMPS.Теория и экспериментальные результаты предполагают, что WIMP могут иметь либо большую, либо маломассовую форму.

Согласно этим новым результатам, в поисках массивных вимпов, которые в 40 раз превышают массу протона, LUX имеет вдвое большую чувствительность, чем любой другой эксперимент по прямому обнаружению темной материи. LUX также значительно повысил чувствительность к маломассивным вимпам, и новые результаты предполагают, что потенциальное обнаружение маломассивных вимпов другими экспериментами с темной материей, вероятно, было результатом фонового излучения, а не темной материи.«За последние несколько лет был проведен ряд экспериментов с темной материей, которые убедительно подтвердили идею о том, что они наблюдают события в ячейках с наименьшей энергией своих детекторов, которые могут быть совместимы с открытием темной материи», — сказал Гайтскелл. «С LUX мы очень много работали, чтобы откалибровать характеристики детектора в этих ячейках с самой низкой энергией, и мы не видим никаких доказательств присутствия там частиц темной материи».

В предстоящем 300-дневном пробеге исследователи LUX надеются либо окончательно обнаружить темную материю, либо исключить обширный диапазон параметров пространства, где она могла бы быть обнаружена.«Каждый день, когда мы запускаем такой детектор, мы исследуем новые модели темной материи», — сказал Гайтскелл. «Это чрезвычайно важно, потому что мы еще недостаточно хорошо понимаем Вселенную, чтобы знать, какая из моделей на самом деле правильная. LUX помогает определить это».

Неуловимые частицыХотя темная материя еще не была обнаружена напрямую, ученые вполне уверены в ее существовании. Без его гравитационного воздействия галактики и скопления галактик просто разлетелись бы в бескрайние просторы космоса.

Но поскольку темная материя не излучает и не отражает свет, а ее взаимодействия с другими формами материи исчезающе редки, ее чрезвычайно трудно обнаружить.«Чтобы дать некоторое представление о том, насколько мала вероятность взаимодействия частиц темной материи, представьте, что одна частица темной материи выстреливает в кусок свинца», — сказал Гайтскелл. «Чтобы получить вероятность взаимодействия частицы со свинцом с вероятностью 50-50, блок должен растянуться примерно на 200 световых лет — это в 50 раз дальше, чем ближайшая к Земле звезда, если не считать Солнца.

Так что это невероятно редкое взаимодействие ".Для регистрации этих взаимодействий требуется невероятно чувствительный детектор.

Ключевой частью LUX является треть тонны переохлажденного ксенона в резервуаре, украшенном световыми датчиками, каждый из которых способен регистрировать одиночный фотон за раз. Когда частица взаимодействует с ксеноном, она создает крошечную вспышку света и ионный заряд, которые улавливаются датчиками.Чтобы свести к минимуму посторонние взаимодействия, не связанные с темной материей, детектор должен быть защищен от фонового излучения и космических лучей. По этой причине LUX расположен на глубине 4850 футов под землей, погружен в 71 600 галлонов чистой деионизированной воды.

Но даже в этой крепости одиночества все равно случаются случайные фоновые взаимодействия. Работа физиков LUX состоит в том, чтобы отделить сигнал от шума.

Наблюдая за взаимодействиями одно за другимВо время своего первоначального запуска LUX улавливал ксеноновые вспышки в интересующей энергетической области для темной материи примерно по одной в день. Внимательно изучив природу каждого взаимодействия, исследователи могут сказать, какие из них связаны с остаточным фоновым излучением, а какие — с темной материей.

«Темная материя будет взаимодействовать с ядром атома ксенона, в то время как большинство форм радиоактивного фона имеют тенденцию взаимодействовать с внешними электронами», — пояснил Гайтскелл. «Каждое из этих взаимодействий вызывает отдачу, будь то ядро ​​или электроны. Таким образом, со скоростью примерно один раз в день мы наблюдаем эти взаимодействия и проверяем, согласуются ли они с отдачей ядра или отдачи электрона. каждое событие, которое мы видели, выглядело как обычное электромагнитное фоновое событие ».Но по мере того, как детектор работает в течение более длительных периодов, вероятность того, что взаимодействие темной материи будет зафиксировано, возрастает. И у LUX, как говорит Гайтскелл, есть чувствительность, чтобы уловить это.

«LUX — это огромный шаг вперед. За первые несколько минут после включения мы превзошли по чувствительности первые детекторы темной материи, с которыми я работал 25 лет назад», — сказал он. «В течение нескольких дней он превзошел по чувствительности все предыдущие эксперименты по прямому поиску темной материи, над которыми я когда-либо работал. Этот первый запуск LUX более чувствителен, чем любой предыдущий проведенный поиск, и теперь отлично настраивает нас на 300-дневный беги, чтобы следовать. "Совместные усилия

Научное сотрудничество LUX включает 17 исследовательских университетов и национальных лабораторий в США, Великобритании, Португалии и России. Работа поддержана Министерством энергетики США и штатом Южная Дакота.

В Брауне над проектом работали 18 докторантов, аспирантов и студентов.Научный сотрудник Университета Брауна Саймон Фиоруччи, докторант Моника Пангилинан и аспиранты Джереми Чапман, Дэвид Маллинг и Карлос Фахам работали над проектом LUX с момента его создания. В настоящее время Фиоруччи является менеджером по координации научных исследований в этом проекте и играет важную роль в распространении новой науки. Тезисы Чепмена и Маллинга из Университета Брауна содержат первичный анализ, использованный для получения этого последнего результата. «Мы очень рады, что наша диссертационная работа привела к этому лучшему в мире результату», — сказал Чепмен.

«Поддержка со стороны администрации Брауна сыграла важную роль в том, что LUX сдвинул эксперимент с мертвой точки и позволил нам сохранить лидирующие позиции в эксперименте». — сказал Гайтскелл. «Группа Брауна была чрезвычайно важна для того, чтобы этот эксперимент увенчался успехом».

Оставьте комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.