С 1960-х годов ученые предполагали, что Вселенная наполнена загадочной невидимой массой. Известный как ' темная материя «Эта масса, по оценкам, составляет примерно 85% вещества во Вселенной и четверть ее плотности энергии. Хотя эта масса косвенно наблюдалась и изучалась, все попытки определить ее истинную природу до сих пор не увенчались успехом.
Чтобы решить эту проблему, проводится множество экспериментов, в которых используются чрезвычайно сложные инструменты. Один из них, названный КСЕНОН , в последнее время наблюдал за процессом который ранее избегал многократных попыток обнаружения. Эти результаты могут помочь ученым лучше понять нейтрино, из которых, по мнению некоторых ученых, и состоит темная материя.
Результаты (XENON1T) появились в рамках изучение что недавно было опубликовано в журналеПрирода. XENON - это совместный экспериментальный проект около 160 ученых из Европы, США и Ближнего Востока. В настоящее время его возглавляет профессор Елена Априле из Колумбийского университета и Национальная лаборатория Гран-Сассо (LNGS) в Италии.
Согласно суперсимметрии, частицы темной материи, известные как нейтралино (которые часто называют вимпами), аннигилируют друг друга, создавая каскад частиц и излучения, которое включает гамма-лучи средней энергии. Предоставлено: Sky & Telescope / Грегг Диндерман.
Как и другие эксперименты с темной материей, он направлен на обнаружение кандидатов на частицы темной материи, известных как слабовзаимодействующие массивные частицы (ВИМПЫ). Для этого установка расположена глубоко под землей, чтобы избежать помех от других источников нейтрино (которые включают солнечные нейтрино, регулярно создаваемые нашим Солнцем, и космические нейтрино).
В случае эксперимента XENON это включает наблюдение за камерой, заполненной жидким ксеноном-124, на предмет признаков взаимодействия частиц. Эти признаки станут первым в истории прямым экспериментальным свидетельством кандидатов в частицы темной материи. И хотя их первый набор результатов не подтвердил существование темной материи, они впервые наблюдали распад атомных ядер ксенона-124.
По ряду причин это было огромным достижением. Помимо того, что он является первым в истории, измеренный период полураспада ксенона-124 примерно в триллион раз превышает возраст самой Вселенной (13,8 миллиарда лет). Это делает наблюдаемый ими радиоактивный распад - так называемый двойной захват электронов ксенона-124 - самым редким процессом, который когда-либо наблюдался в детекторе.
Как объяснил в XENON профессор Кристиан Вайнхаймер из Университета Мюнстера, группа которого провела исследование. пресс-релиз :
«Тот факт, что нам удалось наблюдать этот процесс, напрямую демонстрирует, насколько мощным на самом деле является наш метод обнаружения - в том числе для сигналов, которые не связаны с темной материей».
Чтобы нарушить этот процесс, атом ксенона-124 состоит из 54 протонов и 70 нейтронов, которые окружены атомными оболочками с 54 электронами. В процессе, известном как двойной захват электронов, два протона в ядре одновременно «захватывают» два электрона из самой внутренней оболочки, превращают их в два нейтрона и выплевывают два нейтрино.
Затем другие электроны реорганизуются, чтобы заполнить зазор, образовавшийся во внутренней оболочке, в то время как энергия высвобождается в форме рентгеновских лучей и так называемых «оже-электронов». Однако эти сигналы очень трудно обнаружить, поскольку процесс очень редок и скрыт естественной радиоактивностью. Тем не менее, коллаборации XENON удалось добиться успеха только благодаря годовым наблюдениям с их инструментами.
Рентгеновские лучи, испускаемые в результате двойного захвата электронов, создавали световой сигнал в жидком ксеноне, а также в свободных электронах. Затем эти электроны двигались к заполненной газом верхней части детектора, где они производили второй световой сигнал, и разница во времени между ними соответствовала времени, которое требуется электронам, чтобы достичь вершины детектора.
Научная группа использовала этот интервал и датчики камеры, чтобы восстановить положение двойного захвата электронов, в то время как сила сигнала использовалась для измерения количества выделенной энергии. Это дало ученым возможность определить невероятно длительный период полураспада ксенона, который, по их расчетам, составляет 1,8 × 10²² года.
Эксперимент XENON под землей, показывающий резервуар для воды (слева) и трехэтажное служебное здание (справа). Предоставлено: ксеноновый эксперимент.
Эти результаты эффективно демонстрируют способность детекторов XENON обнаруживать редкие процессы, подавляя фоновые сигналы. Новые результаты также могут позволить провести дальнейшие исследования нейтрино, которые являются самыми легкими из всех элементарных частиц и до сих пор полностью не изучены. Сюда входит масса нейтрино, которая еще не ограничена.
Как недавно сказал Кристиан Виттвег, аспирант Мюнстерского университета в Германии. Gizmodo :
«Это доказывает, что технология детектора XENON, которую мы используем для темной материи, намного более универсальна. Мы получаем все эти классные анализы… бесплатно после того, как построили эксперимент, достаточно чувствительный, чтобы охотиться за темной материей ».
В ходе цикла наблюдений XENON1T были собраны данные в период с 2016 по декабрь 2018 года, после чего он был отключен для выполнения обновлений. Как только они будут завершены, научная группа приступит к следующему этапу наблюдений. Эта фаза, известная как «XENONnT», будет иметь активную массу детектора в три раза большую, чем в первом эксперименте.
Вместе с обновлениями, призванными уменьшить фоновые помехи, детектор будет иметь уровень чувствительности на несколько порядков выше. На данный момент мы можем ожидать, что эксперимент пролит еще более яркий свет на темные области Вселенной.