Мифисты участвуют во "втором поколении" экспериментов по поиску темной материи
23
октября
2014
Из астрономических наблюдений известно, что кроме обычной материи, из которой состоят планеты и звезды, во Вселенной существует так называемая темная материя. Она составляет примерно 80% от всей массы вещества во Вселенной и является невидимой (не излучает и не поглощает электромагнитное излучение). Темная материя заполняет галактики и галактические скопления и состоит из неизвестных частиц, которых нет в рамках Стандартной модели. Характеристики этих частиц достоверно неизвестны, хотя существует множество теорий предсказывающих некоторые параметры. Одним из основных кандидатов на роль частиц темной материи являются вимпы ( WIMP - Weakly Interacting Massive Particle). Вимпы - это стабильные нейтральные частицы, предсказанные многими суперсимметричными моделями. Они испытывают слабое взаимодействие с сечением порядка 10−40÷10−48 см2 и обладают массой в диапазоне от нескольких до сотен ГэВ. В настоящее время в мире существует несколько десятков детекторов темной материи, ведущих прямые поиски вимпов. Прямой поиск заключается в попытке зарегистрировать непосредственно взаимодействие частиц темной материи с рабочим веществом детектора. Так как сечение взаимодействия вимпа с обычным веществом очень мало, то эксперименты такого рода необходимо проводить глубоко под землей для подавления фона от космических лучей. Принцип регистрации основан на том, что гипотетическая частица темной материи сталкивается с ядром атома рабочего вещества детектора и упруго рассеивается на нем, передавая ему часть своей энергии. Рассеянное в результате взаимодействия ядро получает дополнительную энергию, которая выделяется в виде тепла или приводит к ионизации и возбуждению атомов рабочего вещества детектора. Наиболее перспективной технологией по прямой регистрации частиц темной материи являются двухфазные эмиссионные детекторы. Идея регистрации частиц с помощью эмиссионных детекторов была предложена в МИФИ около 40 лет назад и нашла применение в наиболее успешных в настоящее время детекторах для поиска темной материи. Эксперимент LUX (Large Underground Xenon), давший на сегодняшний день наилучший результат на ограничение массы и сечения взаимодействия вимпов, как раз является детектором такого типа и использует в качестве рабочего вещества жидкий ксенон. Кроме своей химической инертности, ксенон является превосходным сцинтиллятором, а также позволяет электронам свободно перемещаться внутри ксенона на расстояние больше метра. Выбор ксенона также связан с его естественной радиационной чистотой, что особенно важно в экспериментах по поиску редких событий. Помимо этого, технология использования благородных жидкостей позволяет создавать детекторы массой в несколько тонн, принципиально не меняя конструкцию детектора.
Детектор LUX находится на глубине 1,5 км в подземной лаборатории Санфорд в шахте бывшего золотого рудника Хоумстейк в Южной Дакоте, США. Общий вид детектора LUX приведен на Рис.1.
Рис. 1. Общая схема установки по поиску частиц темной материи LUX, находящейся в шахте на глубине 4850 футов под землей
Внутренний объем титанового криостата заполнен 370 кг жидкого ксенона. Криостат помещен в бак с чистой водой, которая служит пассивной защитой от гамма-излучения и нейтронов. Схема и принцип работы детектора LUX представлен на Рис. 2.
Рис. 2. Принцип работы детектора LUX
Над свободной поверхностью жидкого ксенона находится ксенон газообразный. Частица темной материи упруго рассеивается на ядре ксенона, что приводит к образованию сцинтилляционной вспышки света (сигнал S1) и электронов ионизации. Электроны ионизации под действием приложенного электрического поля дрейфуют к границе раздела жидкость-газ, выходят в газовую фазу и порождают там вторую более интенсивную вспышку света, называемую электролюминесценцией (сигнал S2). Координаты точки взаимодействия в плоскости XY можно восстановить с помощью двух матриц фотоумножителей, а третья координата Z определяется по временному промежутку между сигналами S1 и S2. Трехмерное восстановление координаты позволяет однозначно определить точку взаимодействия. Еще одной особенностью данного типа детекторов является возможность дискриминации между событиями вызванными
взаимодействием электромагнитного излучения и ядрами отдачи по отношению сигналов S2/S1, что позволяет достичь исключительно хорошего разделения сигнала и фона.
В октябре 2013 года коллаборация LUX опубликовала первые результаты работы детектора: после трех месяцев набора статистики никаких свидетельств в пользу обнаружения частиц темной материи не получено. Этот результат можно использовать для установления ограничения сверху на сечение взаимодействия частиц темной материи. Как видно, после трех месяцев работы LUX смог существенно улучшить все результаты эксперимента XENON100, бывшего до сих пор рекордным по чувствительности. Достигнуто улучшение примерно в 2 раза при больших массах и более чем на порядок при массах частиц меньше 20 ГэВ. Это, в частности, означает, что все заявленные ранее положительные результаты не подтверждаются данными эксперимента LUX. После набора и обработки полной годовой статистики коллаборация LUX сможет улучшить эти ограничения еще в пять раз. Параллельно с этим начинаются работы по созданию детектора «второго поколения» LZ.
Эксперимент следующего поколения LZ будет содержать 8 тонн жидкого ксенона и активную систему вето для подавления фоновых сигналов, не связанных с взаимодействием частиц темной материи. Детектор будет располагаться на том же самом месте, что и установка LUX, используя уже готовую инфраструктуру. Общая схема установки LZ приведена на Рис.3. Предполагается, что эксперимент LZ будет способен поднять предел чувствительности более чем на два порядка. Работа по сборке детектора LZ начнется в 2016 году сразу после того, как LUX закончит набирать статистику.
Рис. 3. Схема детектора LZ, который будет располагаться на месте детектора LUX, после завершения его работы
В коллаборацию LZ входит 18 американских и 9 европейских организаций, в том числе НИЯУ МИФИ, представленный сотрудниками ЛЭЯФ. В рамках проводимого 23-25 октября 2014 года в НИЯУ МИФИ рабочего совещания коллаборации LZ будут обсуждаться планы работ по постановки самого мощного на ближайшее десятилетие эксперимента по поиску частиц холодной темной материи в форме вимпов.
Источники:
http://www.hep.ucl.ac.uk/darkMatter/LZ.shtml
https://news.brown.edu/articles/2014/07/lux
http://arstechnica.com/science/2014/07/the-quiet-search-for-dark-matter-deep-underground/
8
