Охотники за скрытой массой космоса отчитались о первых результатах

В конце дня исследователи ищут следы пыли на детекторе с жидким ксеноном.

В конце дня исследователи ищут следы пыли на детекторе с жидким ксеноном.
Фото коллаборации LZ.

Этот массив фотодетекторов ловит вспышки, которые происходят при столкновении вимпов с ядрами ксенона.

Этот массив фотодетекторов ловит вспышки, которые происходят при столкновении вимпов с ядрами ксенона.
Фото Enrico Sacchetti.

Новый детектор примерно в 50 раз чувствительнее собратьев. Его доставку на место начали осуществлять в 2019 году, а затем из-за пандемии установкой занимались лишь несколько инженеров одновременно.

Новый детектор примерно в 50 раз чувствительнее собратьев. Его доставку на место начали осуществлять в 2019 году, а затем из-за пандемии установкой занимались лишь несколько инженеров одновременно.
Фото Matthew Kapust.

Этот результат интересен хотя бы с той точки зрения, что почти 40-летний поиск вимпов, кажется, приближается к кульминации.

Этот результат интересен хотя бы с той точки зрения, что почти 40-летний поиск вимпов, кажется, приближается к кульминации.
Иллюстрация SLAC National Accelerator Laboratory/перевод Вести.Ru.

Заглянуть туда, куда раньше до тебя никто не заглядывал — это ли не самая волнительная часть жизни любого учёного? На снимке внутренняя часть детектора LZ.

Заглянуть туда, куда раньше до тебя никто не заглядывал — это ли не самая волнительная часть жизни любого учёного? На снимке внутренняя часть детектора LZ.
Фото LBNL.

Члены коллаборации LUX-ZEPLIN внутри будущего резервуара с водой, который будет экранировать внутреннюю установку от внешних воздействий.

Члены коллаборации LUX-ZEPLIN внутри будущего резервуара с водой, который будет экранировать внутреннюю установку от внешних воздействий.
Фото Matthew Kapust.

Экспериментальная установка LZ был сооружена на месте старого проекта LUX.

Экспериментальная установка LZ был сооружена на месте старого проекта LUX.
Иллюстрация Greg Stewart, SLAC National Accelerator Laboratory/Flickr.

Взято из PDF с презентацией учёных. Состав нашей вселенной

Взято из PDF с презентацией учёных. Состав нашей вселенной
Иллюстрация Hugh Lippincott, UCSB, Aaron Manalaysay, LBL.

В конце дня исследователи ищут следы пыли на детекторе с жидким ксеноном.
Этот массив фотодетекторов ловит вспышки, которые происходят при столкновении вимпов с ядрами ксенона.
Новый детектор примерно в 50 раз чувствительнее собратьев. Его доставку на место начали осуществлять в 2019 году, а затем из-за пандемии установкой занимались лишь несколько инженеров одновременно.
Этот результат интересен хотя бы с той точки зрения, что почти 40-летний поиск вимпов, кажется, приближается к кульминации.
Заглянуть туда, куда раньше до тебя никто не заглядывал — это ли не самая волнительная часть жизни любого учёного? На снимке внутренняя часть детектора LZ.
Члены коллаборации LUX-ZEPLIN внутри будущего резервуара с водой, который будет экранировать внутреннюю установку от внешних воздействий.
Экспериментальная установка LZ был сооружена на месте старого проекта LUX.
Взято из PDF с презентацией учёных. Состав нашей вселенной
Самый большой в мире эксперимент по поиску тёмной материи указал на три пути, которыми наука пойдёт дальше.

Физики довольно давно не поставляли общественности новых интересных данных о гипотетически существующих во Вселенной вимпах. Но недавно были объявлены первые интересные результаты эксперимента LUX-ZEPLIN, который проводится в США. И эти данные дают много новой информации для размышления.

Напомним (и расскажем тем, кто не знал), что вимп — это гипотетическая частица, которая может быть составляющей тёмной материи. То есть из неё состоит тёмная материя, которую мы не можем увидеть в телескопы, однако понимаем, что она существует по гравитационному воздействию, которое она оказывает на окружающие её объекты.

Так, тёмная материя фактически сдерживает галактики от разбегания во все стороны. Звёзды двигаются в них на таких высоких скоростях, что одной их гравитации было бы недостаточно для удержания светил вместе. И в качестве "ремня безопасности" на каждой такой карусели выступает именно тёмная материя.

Физики предполагают, что какие-то невидимые (то есть не взаимодействующие с излучением) и неизвестные науке частицы, составляющие тёмной материи, обеспечивают звёздам дополнительное притяжение. И в качестве таких частиц они и рассматривают вимпы.

Название "вимп" происходит от аббревиатуры WIMP (Weakly Interacting Massive Particle), что переводится на русский язык как "слабо взаимодействующая массивная частица".

Термины "вимп" и "тёмная материя" были предложены в 1986 году американским космологом Майклом Тёрнером.

Считается, что тёмная материя составляет 85% всей материи Вселенной. Однако мы до сих пор не можем понять, из чего же она, из каких частиц, состоит.

Взято из PDF с презентацией учёных. Состав нашей вселенной

И вот физики, работающие с крупнейшим в мире детектором тёмной материи — американским LUX-ZEPLIN (или LZ) —озвучили свои первые результаты по поиску вимпов.

Учёные, работающие с данными LZ, пока не нашли в них признаков того, что они ищут. Однако и этот поиск без явного результата всё же имеет большое значение для науки и нашего понимания Вселенной.

Детектор в США включается одновременно с аналогичными детекторами в Италии и Китае. Вместе они, вероятно, представляют собой предпоследнее поколение детекторов для ловли вимпов. А, может быть, это будет и последнее поколение. Этого мы пока точно не знаем, но узнаем в ближайшие годы.

Новые данные представляют собой 65 дней наблюдений, которые проводились на протяжении четырёх месяцев, начиная с декабря 2021 года.

Это лишь небольшая часть из 1000 дней сбора данных, которые будут распределены по ближайшим 3-5 годам наблюдений. Однако уже сейчас ясно, что детектор работает хорошо и теперь является самым чувствительным в мире.

"Мы могли бы увидеть избыток [событий], если бы он был, — говорит Ричард Гейтскелл, физик из Университета Брауна и член коллаборации LZ, — однако его [пока] нет".

С 1980-х годов многие физики считали, что тёмная материя состоит из вимпов, которые взаимодействуют с обычной материей только посредством гравитации и слабого ядерного взаимодействия.

Вимпы возникли естественным образом после Большого взрыва и должны оставаться в достаточном количестве, чтобы объяснить тёмную материю. Правда, при одном важном условии: они должны быть примерно в 100 раз массивнее протона (а это действительно много для элементарных частиц).

Вимпы, как полагают учёные, пронизывают Галактику, планеты и даже нас с вами. Однако изредка они всё же врезаются в ядра атомов, и вот эти столкновения уже можно обнаружить.

Для поиска вимпов физикам нужно всего-то построить огромный детектор глубоко под землёй, где им не будет портить картину постороннее космическое излучение. Там можно будет найти "искры", сигнализирующие о встрече вимпов с ядрами.

Правда, чтобы поймать эти всплески излучения нужны очень чувствительные детекторы. И в течение последних 20 лет учёные разрабатывали всё более крупные аппараты.

Новый детектор примерно в 50 раз чувствительнее собратьев. Его доставку на место начали осуществлять в 2019 году, а затем из-за пандемии установкой занимались лишь несколько инженеров одновременно.

Они состоят из резервуаров с жидким ксеноном, сверху и снизу покрытых чувствительными к определённому типу излучения трубками.

В данном случае эксперимент LZ состоит из двух титановых резервуаров, встроенных один в другой и окружённых ещё более крупной системой защиты для улавливания частиц, которые могут "подделывать" сигнал тёмной материи.

К слову, ксенон был выбран неслучайно. Этот благородный газ может защищать происходящее во внутреннем баке от фоновых процессов.

Как поймать неуловимую частицу?

Когда вимп сталкивается с ядром атома, словно шары на бильярдном столе, ядро ​​производит заметную вспышку (ту самую "искру").

Кроме того, электроны, высвобождаемые ускоряющимся ядром, направляются искусственным электрическим полем к верхней части резервуара, где присутствует тонкий слой газообразного ксенона. Здесь порождается вторая вспышка.

Детекторы, расположенные сверху и снизу резервуара, не пропустят и один фотон света. Поэтому учёные могут поймать нужный сигнал и установить его местоположение с точностью до миллиметров. В то же время по интенсивности сигнала можно определить энергию взаимодействия.

Этот результат интересен хотя бы с той точки зрения, что почти 40-летний поиск вимпов, кажется, приближается к кульминации.

Сравнивая интенсивность и время попадания вспышек на детекторы, исследователи могут отличить нужные им события от других похожих.

Центральный резервуар эксперимента LZ содержит десять тонн очень чистого жидкого ксенона и располагается на глубине 1480 метров в подземном исследовательском центре Сэнфорда. Учёные не стали копать для этого отдельный подземный лаз, а воспользовались имеющейся полостью: заброшенным золотым рудником недалеко от города Лида в Южной Дакоте.

Экспериментальная установка LZ был сооружена на месте старого проекта LUX.

Исследователи коллаборации LZ зафиксировали 335 событий с участием ядер, сообщил на онлайн-семинаре Хью Липпинкотт, физик из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре и представитель команды LZ, состоящей из 287 человек (представляют университетов и институтов Южной Кореи, Португалии, Великобритании и США).

Однако это число примерно соответствует числу фоновых событий, которые обычно имеют место. Например, даже под землёй и в хорошо изолированной системе происходит пробег радиоактивных изотопов, таких как свинец-214. Поэтому физики коллаборации LZ пришли к выводу, что им пока не удалось обнаружить вимпы.

Отсутствие результата — тоже результат?

Но нулевой результат по-прежнему имеет значение. Например, стало понятно, что на данный момент LZ — самый чувствительный прибор такого рода.

Физики не могут точно предсказать массу вимпа или то, насколько сильно он должен взаимодействовать с обычным веществом.

Но исследователи LZ установили самые строгие ограничения на силу этих взаимодействий для вимпов с массой примерно в 10–10 000 раз больше, чем у протона.

Этот массив фотодетекторов ловит вспышки, которые происходят при столкновении вимпов с ядрами ксенона.

Новые ограничения, полученные командой LZ в ходе первых исследований, превышают ограничения, опубликованные в декабре 2021 года командой, использующей детектор PandaX-4T, содержащий 3,7 тонны жидкого ксенона и расположенный в китайской подземной лаборатории Цзиньпин.

Что же будет дальше?

"Мы планируем собрать в 20 раз больше данных в последующие годы, так что мы только начали. Впереди много науки, и это очень волнительно!", ‒ говорит Хью Липпинкотт.

Также сегодня охотятся за вимпами коллаборации серии XENON. Эксперимент XENONnT проводят на 5,9-тонном детекторе в подземной национальной лаборатории Гран-Сассо в Италии. Это четвёртый "подход к снаряду" для физиков. Ожидается, что первые результаты будут опубликованы в конце 2022 года.

Члены коллаборации LUX-ZEPLIN внутри будущего резервуара с водой, который будет экранировать внутреннюю установку от внешних воздействий.

Кроме того, вимпы продолжают искать и в Китае на установке PandaX-4T.

Также охотники за вимпами уже создают макеты возможного будущего детектора жидкого ксенона с массой благородного газа 80 тонн. Он позволит ещё больше повысить точность наблюдений.

Такой детектор довёл бы возможности поиска вимпов с помощью ксенона до предела, потому что при таких размерах его чувствительность достигает уровня, когда можно обнаруживать поток нейтрино, исходящих от Солнца.

Нейтрино будут вносить хаос в сигналы, так как эти события будет сложно отличить от столкновений вимпов с ядрами атомов. Соответственно, строить детекторы большего размера уже не имеет смысла.

Лан отмечает, что команды экспериментов LZ и XENON уже начали совместную работу над концепцией соответствующей научной установки.

Заглянуть туда, куда раньше до тебя никто не заглядывал — это ли не самая волнительная часть жизни любого учёного? На снимке внутренняя часть детектора LZ.

Почему физики последнее время молчат про вимпы?

Энтузиазм в отношении вимпов как кандидатов на частицы тёмной материи в последние годы несколько поугас. Но не только потому, что прямые поиски с помощью ксеноновых детекторов до сих пор не увенчались успехом, но и потому, что крупнейший в мире ускоритель Большой адронный коллайдер пока ещё не помог учёным найти что-либо, что могло бы выглядеть как вимп.

Теперь же физики получают новую возможность исследовать на наличие вимпов возможные диапазоны массы и сил взаимодействий, которые, согласно теории, должны быть характерны для вимпов.

"Другими словами, половина [возможностей], о которых мы мечтали десятилетие или два назад, всё ещё живы и здоровы", ‒ объясняет Рафаэль Лан, физик и член команды XENON из Университета Пердью.

Препринт статьи авторов первых результатов коллаборации LZ вышел на сайте arXiv.org.

Также можно посмотреть видео с презентацией результатов. И, собственно, саму презентацию.

В конце дня исследователи ищут следы пыли на детекторе с жидким ксеноном.

Ранее мы рассказывали о предложении учёных поискать вимпы с помощью всемирной сети магнетометров, а также самой планеты Земля.

Больше важных и интересных новостей из мира науки вы найдёте в разделе "Наука" на медиаплатформе "Смотрим".

Подписывайтесь на наши страницы в соцсетях:
"Смотрим"ВКонтакте, Одноклассники, Яндекс.Дзен и Telegram
Вести.RuВКонтакте, Одноклассники, Яндекс.Дзен и Telegram.