Фото: Мэтью Капуст / Подземный исследовательский центр Сэнфорда
Большая часть материи во Вселенной отсутствует. Ученые предполагают, что около 85 процентов материи в космосе состоит из невидимой темной материи, которую до сих пор удалось обнаружить лишь косвенно, благодаря ее гравитационному воздействию на окружающую среду.
Мои коллеги и я — команда из около 250 ученых со всего мира, работающих над экспериментом с темной материей под названием LUX-ZEPLIN (или LZ) — сообщаем о наших последних результатах долгих поисков, чтобы выяснить, что именно существует эта темная материя.
Мы еще не нашли неуловимые частицы, которые, по нашему мнению, составляют темную материю, но на данный момент мы наложили жесткие ограничения на их свойства. Мы также показали, что наш детектор работает так, как и ожидалось, и в будущем должен давать еще лучшие результаты.
Наши результаты будут представлены на конференции TeV Particle Astrophysicals 2024 в Чикаго и конференции LIDINE 2024 в Сан-Паулу, Бразилия. Журнальная статья отправляется на рецензирование.
Что такое темная материя?
Когда астрономы смотрят на Вселенную, они видят доказательства того, что видимая материя звезд, газа и галактик — это еще не все, что там есть. Многие явления, такие как скорость вращения галактик и характер остаточного свечения от Большого взрыва, можно объяснить только наличием большого количества невидимого вещества — темной материи.
Из чего состоит эта темная материя? В настоящее время мы не знаем ни одного типа частиц, которые могли бы объяснить эти астрономические наблюдения.
Центральный детектор эксперимента LZ в наземной лаборатории перед перемещением под землю. Фото предоставлено: Мэтью Капуст / Подземный исследовательский центр Сэнфорда
Существуют десятки теорий, объясняющих наблюдения темной материи. Речь идет о неизвестных экзотических частицах, крошечных черных дырах или фундаментальных изменениях в нашей теории гравитации. Однако ни одна из них до сих пор не оказалась верной.
Одна из наиболее распространенных теорий предполагает, что темная материя состоит из так называемых «слабо взаимодействующих массивных частиц» (или вимпов). Эти относительно тяжелые частицы могли вызывать наблюдаемые гравитационные эффекты и – в очень редких случаях – также взаимодействовать с обычной материей.
Как мы узнаем, верна ли эта теория? Ну, мы предполагаем, что эти частицы постоянно текут через Землю. Большую часть времени они проходят сквозь них, ни с чем не взаимодействуя, но время от времени вимп может врезаться прямо в ядро атома — и именно эти столкновения мы пытаемся обнаружить.
Большой холодный бак с жидким ксеноном.
Эксперимент LZ расположен в старом золотом руднике на глубине около 1500 метров под землей в Южной Дакоте, США. Размещение эксперимента глубоко под землей помогает максимально исключить радиационный фон.
Эксперимент состоит из большого резервуара с двойными стенками, наполненного семью тоннами жидкого ксенона, инертного газа, охлажденного до температуры 175 Кельвинов (-98 °C).
Когда частица темной материи сталкивается с ядром атома ксенона, она должна излучать крошечную вспышку света. Наш детектор имеет 494 датчика освещенности для регистрации этих вспышек.
Конечно, частицы темной материи — не единственные, кто может создавать эти вспышки. Все еще существует некоторый фоновый радиационный фон от окружающей среды и даже от материалов резервуара и самих детекторов.
Чтобы выяснить, видим ли мы признаки темной материи, нам нужно отделить это фоновое излучение от чего-то более экзотического. Для этого мы проводим детальное моделирование результатов, которые мы ожидаем с темной материей и без нее.
Эти симуляции легли в основу моей части эксперимента, который начался в начале моей докторской диссертации в 2015 году. Я также разрабатывал датчики для мониторинга детекторов и отвечал за интеграцию и пуско-наладку центрального подземного детектора, который начал сбор данных в 2021 году.
Затяните сетку
Наши последние результаты не показывают никаких признаков темной материи. Однако они позволяют нам исключить многие возможности.
Следов частиц массой более 1,6 × 10–26 кг мы не обнаружили. Это примерно в десять раз больше веса протона.
Эти результаты основаны на наблюдениях детектора в течение 280 дней. В конечном итоге мы хотим собрать данные за 1000 дней для поиска еще более неуловимых потенциальных частиц темной материи.
Если нам повезет, мы сможем обнаружить темную материю в новых данных. Если нет, то мы уже начали планировать эксперимент с темной материей следующего поколения. Консорциум XLZD (XENON-LUX-ZEPLIN-DARWIN) стремится создать детектор почти в десять раз большего размера, который позволит нам исследовать еще большие участки пространства, где обитают эти вездесущие, но неуловимые частицы. Возможно, они скрывают частицы.
Информация от: Разговором
