Центральный детектор LZ, камера проекции времени, в чистой комнате наземной лаборатории перед перемещением под землю. Фото предоставлено: Мэтью Капуст/Подземный исследовательский центр Сэнфорда
Понимание природы темной материи, невидимого вещества, составляющего большую часть массы нашей Вселенной, является одной из величайших загадок физики. Новые результаты самого чувствительного в мире детектора темной материи LUX-ZEPLIN (LZ) сузили возможности для одного из ведущих кандидатов в темную материю: слабо взаимодействующих массивных частиц, или вимпов.
LZ, возглавляемая Национальной лабораторией Лоуренса Беркли (Лаборатория Беркли) Министерства энергетики, ищет темную материю в пещере на глубине около мили под землей в Сэнфордском подземном исследовательском центре в Южной Дакоте. Новые результаты эксперимента исследуют более слабое взаимодействие с темной материей, чем когда-либо прежде, что еще больше ограничивает возможности вимпов.
«Это новые, ведущие в мире ограничения на темную материю и вимпы», — сказал Чамкаур Гаг, представитель LZ и профессор Университетского колледжа Лондона (UCL). Он обнаружил, что методы обнаружения и анализа работают даже лучше, чем ожидалось от сотрудничества.
«Если бы вимпы находились в регионе, который мы искали, мы могли бы сделать о них достоверные заявления. Мы знаем, что у нас есть чувствительность и инструменты, необходимые для определения того, находятся ли они там, хотя при более низких энергиях, и займут большую часть времени работы этого исследования. эксперимент».
Коллаборация не обнаружила никаких доказательств существования вимпов с массой выше 9 гигаэлектронвольт/с2 (ГэВ/с2). (Для сравнения: масса протона чуть меньше 1 ГэВ/с2.) Чувствительность эксперимента к слабым взаимодействиям помогает исследователям отвергнуть потенциальные модели темной материи вимпов, которые не соответствуют данным, оставляя значительно меньше укрытий для вимпов. .
Новые результаты были представлены 26 августа на двух физических конференциях: TeV Particle Astrophysicals 2024 в Чикаго, штат Иллинойс, и LIDINE 2024 в Сан-Паулу, Бразилия. Статья будет опубликована в ближайшие недели.
Серия фотоумножителей, предназначенных для обнаружения сигналов от взаимодействий частиц, происходящих в детекторе жидкого ксенона LZ. Фото предоставлено: Мэтью Капуст/Подземный исследовательский центр Сэнфорда
В результатах анализируются данные за 280 дней: новый набор из 220 дней (собранных в период с марта 2023 года по апрель 2024 года) в сочетании с 60 предыдущими днями из первого запуска LZ. Ожидается, что эксперимент соберет данные за 1000 дней и завершится в 2028 году.
«Если вы думаете о поиске темной материи как о поиске зарытого сокровища, мы копали почти в пять раз глубже, чем кто-либо когда-либо делал», — сказал Скотт Кравиц, заместитель координатора физики LZ и профессор Техасского университета в Остине. «Вы не делаете это с помощью миллиона лопат – вы делаете это, изобретая новый инструмент».
Чувствительность LZ зависит от бесчисленных способов, с помощью которых детектор может уменьшить фон, то есть ложные сигналы, которые могут имитировать или скрывать взаимодействие с темной материей. Глубоко под землей детектор защищен от космического излучения.
Чтобы уменьшить естественное излучение от предметов повседневного обихода, LZ была построена из тысяч сверхчистых деталей с низким уровнем радиации. Детектор устроен как луковица: каждый слой либо блокирует излучение извне, либо отслеживает взаимодействия частиц, чтобы исключить имитацию темной материи. А новые сложные методы анализа помогают исключить фоновые взаимодействия, особенно с наиболее распространенным виновником: радоном.
Этот результат также является первым случаем, когда LZ использовала «засолку» — метод, который добавляет ложные сигналы WIMP во время сбора данных. Маскируя реальные данные до тех пор, пока они не «обессоливаются» в конце, исследователи могут избежать неосознанной предвзятости и избежать чрезмерной интерпретации или изменения своего анализа.
Члены команды LZ в резервуаре с водой LZ после установки внешнего детектора. Фото предоставлено: Мэтью Капуст/Подземный исследовательский центр Сэнфорда
«Мы расширяем границы в области, где темную материю никогда раньше не искали», — сказал Скотт Хазельшвардт, координатор физики LZ и недавний научный сотрудник Чемберлена в лаборатории Беркли, который сейчас является доцентом Мичиганского университета. «У людей есть склонность видеть закономерности в данных, поэтому очень важно не вносить предвзятости в эту новую область. Когда вы делаете открытие, вы хотите сделать его правильно».
Темная материя, названная так потому, что она не излучает, не отражает и не поглощает свет, по оценкам, составляет 85% массы Вселенной. Однако напрямую он так и не был обнаружен, хотя и оставил свой след в многочисленных астрономических наблюдениях. Без этой загадочной, но фундаментальной части Вселенной мы бы не существовали. Масса темной материи способствует гравитационному притяжению, которое помогает галактикам формироваться и оставаться вместе.
LZ использует 10 тонн жидкого ксенона для создания плотного прозрачного материала, с которым потенциально могут столкнуться частицы темной материи. Есть надежда, что вимп столкнется с ксеноновым ядром и заставит его двигаться, подобно удару по бильярдному шару в игре на бильярде. Собирая свет и электроны, испускаемые во время взаимодействия, LZ, помимо других данных, также фиксирует потенциальные сигналы WIMP.
«Мы показали, насколько мы сильны как поисковая система WIMP, и мы продолжим работать и совершенствоваться, но есть много других вещей, которые мы можем сделать с этим детектором», — сказала Эми Коттл, руководитель отдела поиска WIMP и помощник. Профессор UCL.
«Следующий шаг — использовать эти данные для изучения других интересных и редких физических процессов, таких как редкие распады атомов ксенона, безнейтринный двойной бета-распад, нейтрино бора-8 от Солнца и другие физические процессы за пределами Стандартной модели. И это в помимо изучения некоторых из наиболее интересных и ранее недоступных моделей темной материи за последние 20 лет».
Члены коллаборации LZ встретятся в Сэнфордском подземном исследовательском центре в июне 2023 года, вскоре после того, как эксперимент начнет свою последнюю научную серию. Фото: Стивен Кенни/Сэнфордский подземный исследовательский центр
LZ — это коллаборация около 250 ученых из 38 институтов США, Великобритании, Португалии, Швейцарии, Южной Кореи и Австралии; Большую часть работы по постановке, проведению и анализу этого рекордного эксперимента выполняют молодые исследователи.
Коллаборация уже с нетерпением ждет возможности проанализировать следующий набор данных и использовать новые приемы анализа для поиска темной материи еще меньшей массы. Ученые также рассматривают возможные модернизации для дальнейшего улучшения LZ и планируют создать детектор темной материи следующего поколения под названием XLZD.
«Наши возможности по поиску темной материи улучшаются быстрее, чем закон Мура», — сказал Кравиц. «Если вы посмотрите на экспоненциальную кривую, все, что было раньше, — это ничто. Просто подождите и посмотрите, что будет дальше».
Информация от: Национальной лабораторией Лоуренса Беркли.
