Проект исследования темной материи XENON , осуществляемый итальянской национальной лабораторией Гран-Сассо , представляет собой глубокий подземный исследовательский центр, в котором проводятся все более амбициозные эксперименты, направленные на обнаружение частиц темной материи . Эксперименты направлены на обнаружение частиц в виде слабо взаимодействующих массивных частиц (WIMP) путем поиска редких взаимодействий через ядерную отдачу в камере с жидким ксеноном . Детектор тока состоит из двухфазной проекционной камеры (TPC).
Эксперимент обнаруживает сцинтилляцию и ионизацию, возникающую при взаимодействии частиц в объеме жидкого ксенона, для поиска избытка событий ядерной отдачи над известным фоном. Обнаружение такого сигнала предоставило бы первое прямое экспериментальное доказательство существования частиц-кандидатов в темную материю. В настоящее время коллаборацией руководит итальянский профессор физики Елена Априле из Колумбийского университета .
Принцип детектора
В эксперименте XENON используется двухфазная проекционная камера (TPC), в которой используется мишень из жидкого ксенона с газовой фазой наверху. Две группы фотоумножителей (ФЭУ), одна в верхней части детектора в газовой фазе (GXe), а другая в нижней части жидкого слоя (LXe), обнаруживают сцинтилляционный и электролюминесцентный свет, возникающий при взаимодействии заряженных частиц в детекторе. . Электрические поля применяются как в жидкой, так и в газовой фазе детектора. Электрическое поле в газовой фазе должно быть достаточно большим, чтобы извлекать электроны из жидкой фазы.
Взаимодействие частиц в жидкой мишени вызывает сцинтилляцию и ионизацию . Быстрый сцинтилляционный свет производит ультрафиолетовые фотоны с длиной волны 178 нм. Этот сигнал обнаруживается PMT и называется сигналом S1. Этот метод оказался достаточно чувствительным, чтобы обнаруживать одиночные фотоэлектроны. [1] Приложенное электрическое поле предотвращает рекомбинацию всех электронов, образовавшихся в результате взаимодействия заряженных частиц в TPC. Эти электроны перемещаются к верху жидкой фазы электрическим полем. Затем ионизация выводится в газовую фазу за счет более сильного электрического поля в газовой фазе. Электрическое поле ускоряет электроны до такой степени, что создает пропорциональный сцинтилляционный сигнал, который также собирается ФЭУ и называется сигналом S2.
Детектор позволяет полностью определять трехмерное положение [2] взаимодействия частиц. Электроны в жидком ксеноне имеют равномерную скорость дрейфа. Это позволяет определить глубину взаимодействия события путем измерения временной задержки между сигналами S1 и S2. Положение события в плоскости xy можно определить, посмотрев на количество фотонов, видимых каждым из отдельных ФЭУ. Полное трехмерное положение позволяет выполнить фидуциализацию детектора, в которой область с низким уровнем фона определяется во внутреннем объеме TPC. Этот реперный объем имеет значительно меньшую частоту фоновых событий по сравнению с областями детектора на краю TPC из-за свойств самозащиты жидкого ксенона. Это обеспечивает гораздо более высокую чувствительность при поиске очень редких событий.
Ожидается, что заряженные частицы, движущиеся через детектор, будут либо взаимодействовать с электронами атомов ксенона, вызывая электронные отдачи, либо с ядром, вызывая ядерные отдачи. Для заданного количества энергии, выделяемой взаимодействием частиц в детекторе, отношение S2 / S1 может использоваться в качестве параметра дискриминации, чтобы различать электронные и ядерные события отдачи. [3] Ожидается, что это соотношение будет больше для электронных отдач, чем для ядерных. Таким образом, фон от электронной отдачи может быть подавлен более чем на 99%, при одновременном сохранении 50% событий ядерной отдачи.
КСЕНОН10
Эксперимент XENON10 был установлен в подземной лаборатории Гран-Сассо в Италии в марте 2006 года. Подземное расположение лаборатории обеспечивает 3100 м экранирования в водном эквиваленте. Детектор был помещен в экран, чтобы еще больше снизить уровень фона в TPC. XENON10 был задуман как прототип детектора, чтобы доказать эффективность конструкции XENON, а также проверить достижимый порог, мощность подавления фона и чувствительность. Детектор XENON10 содержал 15 кг жидкого ксенона. Чувствительный объем TPC составляет 20 см в диаметре и 15 см в высоту. [4]
Анализ данных за 59 рабочих дней, проведенный в период с октября 2006 г. по февраль 2007 г., не дал подписей WIMP. Количество событий, наблюдаемых в области поиска WIMP, статистически согласуется с ожидаемым количеством событий от электронного фона отдачи. Этот результат исключил часть доступного пространства параметров в минимальных суперсимметричных моделях , наложив ограничения на спин-независимые сечения WIMP-нуклонов ниже10 × 10 −43 см 2 для30 ГэВ / c 2 WIMP масс. [5]
Поскольку почти половина природного ксенона имеет нечетные спиновые состояния ( 129 Xe имеет распространенность 26% и спин-1/2; 131 Xe имеет распространенность 21% и спин-3/2), детекторы XENON также могут использоваться для обеспечения ограничений на спин-зависимые сечения WIMP-нуклонов для взаимодействия частицы-кандидата темной материи как с нейтронами, так и с протонами. XENON10 установил самые строгие ограничения в мире на чисто нейтронную связь. [6]
XENON100
Детектор второй фазы, XENON100, содержит 165 кг жидкого ксенона, 62 кг в целевой области и оставшийся ксенон в активном вето. ТПК детектора имеет диаметр 30 см и высоту 30 см. Поскольку ожидается, что взаимодействие WIMP будет чрезвычайно редким явлением, на этапе строительства и ввода в эксплуатацию XENON100 была начата тщательная кампания по проверке всех частей детектора на радиоактивность. Скрининг проводился с использованием германиевых детекторов высокой чистоты . В некоторых случаях масс-спектрометрия проводилась на образцах пластика с низкой массой. При этом была достигнута проектная цель <10 −2 событий / кг / день / кэВ [7] , что позволило реализовать детектор темной материи с самым низким уровнем фона в мире.
Детектор был установлен в Национальной лаборатории Гран-Сассо в 2008 году в том же щите, что и детектор XENON10, и был проведен несколько научных исследований. В каждом научном опыте не наблюдалось сигнала темной материи выше ожидаемого фона, что привело к самому строгому ограничению на спин-независимое сечение WIMP-нуклона в 2012 году с минимумом на2,0 × 10 -45 см 2 для65 ГэВ / c 2 Масса WIMP. [8] Эти результаты ограничивают интерпретацию сигналов в других экспериментах как взаимодействия темной материи и исключают экзотические модели, такие как неупругая темная материя, которые разрешили бы это несоответствие. [9] XENON100 также предоставил улучшенные ограничения на спин-зависимое сечение WIMP-нуклон. [10] аксионное результат был опубликован в 2014 году [11] устанавливает новый лучший предел аксионное.
XENON100 провел эксперимент с самым низким на тот момент фоном для поиска темной материи с фоном 50 mDRU (1 mDRU = 10 −3 событий / кг / день / кэВ). [12]
XENON1T
Строительство следующего этапа, XENON1T, началось в зале B Национальной лаборатории Гран-Сассо в 2014 году. Детектор содержит 3,2 тонны сверхрадиочистого жидкого ксенона и имеет контрольный объем около 2 тонн. Детектор помещен в резервуар для воды длиной 10 м, который служит мюонным вето. ТПК имеет диаметр 1 м и высоту 1 м.
Команда проекта детекторов, именуемая XENON Collaboration, состоит из 135 исследователей из 22 учреждений из Европы, Ближнего Востока и США. [13]
Первые результаты XENON1T были опубликованы коллаборацией XENON 18 мая 2017 года на основе 34 дней сбора данных в период с ноября 2016 года по январь 2017 года. Хотя никаких WIMP или сигналов кандидатов в темную материю официально обнаружено не было, команда все же объявила рекорд. низкое снижение уровня фоновой радиоактивности, улавливаемой XENON1T. Пределы исключения превысили предыдущие лучшие пределы, установленные экспериментом LUX , за исключением сечений, превышающих7,7 × 10 -47 см 2 для вимпов массой35 ГэВ / c 2 . [14] [15] Поскольку некоторые сигналы, которые принимает детектор, могут быть вызваны нейтронами, уменьшение радиоактивности увеличивает чувствительность к вимпам . [16]
В сентябре 2018 года эксперимент XENON1T опубликовал результаты сбора данных за 278,8 дней. Был установлен новый рекордный предел для независимого от спина упругого взаимодействия WIMP-нуклон с минимумом4,1 × 10 -47 см 2 при массе вимпов30 ГэВ / c 2 . [17]
В апреле 2019 года на основе измерений, выполненных с помощью детектора XENON1T, коллаборация XENON сообщила в Nature о первом прямом наблюдении двухнейтринного двойного электронного захвата в ядрах ксенона-124. [18] Измеренный период полураспада этого процесса, который на несколько порядков превышает возраст Вселенной, демонстрирует возможности детекторов на основе ксенона для поиска редких событий и демонстрирует широкую физическую досягаемость еще более крупных будущих событий. генерационные эксперименты. Это измерение представляет собой первый шаг в поисках безнейтринного процесса двойного захвата электронов , обнаружение которого дало бы ценную информацию о природе нейтрино и позволило бы определить его абсолютную массу.
По состоянию на 2019 год эксперимент XENON1T прекратил сбор данных, чтобы можно было построить следующую фазу, XENONnT. [19] Детектор XENON1T работал в 2016-2018 гг., [20] при этом работа детектора закончилась в конце 2018 года. [21]
В июне 2020 года коллаборация XENON1T сообщила об избытке отдачи электронов: 285 событий, на 53 больше ожидаемых 232. [22] [23] Были рассмотрены три объяснения: существование современных гипотетических солнечных аксионов , удивительно большой магнитный момент. на нейтрино и загрязнение детектора тритием. Для выбора из этих трех данных недостаточно, хотя обновление XENONnT должно обеспечить эту емкость.
В октябре 2020 года физики, работающие над XENON1T, отметили измерение необычного сигнала со статистической значимостью менее 3,5σ. [24] В результате этих данных были выдвинуты три основные гипотезы: частицы, испускаемые Солнцем, бозоны темной материи, ведущие себя независимо от вимпов, или обнаруженные следы радиоактивного загрязнения. [25]
КСЕНОНТ
XENONnT - это модернизация эксперимента XENON1T под землей на СПГС. Его системы будут содержать ксенон общей массой более 8 тонн. Помимо более крупной ксеноновой мишени в камере временной проекции, в модернизированном эксперименте будут представлены новые компоненты для дальнейшего уменьшения или маркировки излучения, которое в противном случае могло бы стать фоном для его измерений. Он разработан для достижения такой чувствительности (в небольшой части исследуемого диапазона масс), при которой нейтрино становятся значительным фоном. По состоянию на 2019 год обновление продолжается, и первые световые эффекты ожидаются в 2020 году. [19] [26]
Детектор XENONnT находился в стадии строительства в марте 2020 года. Даже с учетом проблем, связанных с COVID-19, проект смог завершить строительство и перейти к фазе ввода в эксплуатацию к середине 2020 года. Полная эксплуатация детектора началась в конце 2020 года [21] [27 ]. ]
Рекомендации
- ^ Aprile, E .; и другие. (Сотрудничество с XENON100) (2014 г.). «Наблюдение и применение одноэлектронных зарядовых сигналов в эксперименте XENON100». Журнал Physics G . 41 (3): 035201. arXiv : 1311.1088 . Bibcode : 2014JPhG ... 41c5201A . DOI : 10.1088 / 0954-3899 / 41/3/035201 . S2CID 28681085 .
- ^ Aprile, E .; и другие. (Сотрудничество с XENON100) (2012 г.). «Эксперимент с темной материей XENON100». Физика астрономических частиц . 35 (9): 573–590. arXiv : 1107.2155 . Bibcode : 2012APh .... 35..573X . CiteSeerX 10.1.1.255.9957 . DOI : 10.1016 / j.astropartphys.2012.01.003 . S2CID 53682520 .
- ^ Aprile, E .; и другие. (2014). «Анализ данных поиска темной материи XENON100». Физика астрономических частиц . 54 : 11–24. arXiv : 1207.3458 . Bibcode : 2014APh .... 54 ... 11A . DOI : 10.1016 / j.astropartphys.2013.10.002 . S2CID 32866170 .
- ^ Aprile, E .; и другие. (Сотрудничество XENON10) (2011 г.). «Дизайн и характеристики эксперимента XENON10». Физика астрономических частиц . 34 (9): 679–698. arXiv : 1001.2834 . Bibcode : 2011APh .... 34..679A . DOI : 10.1016 / j.astropartphys.2011.01.006 . S2CID 118661045 .
- ^ Угол, Дж .; и другие. (Сотрудничество XENON10) (2008 г.). «Первые результаты эксперимента с темной материей XENON10 в Национальной лаборатории Гран-Сассо». Письма с физическим обзором . 100 (2): 021303. arXiv : 0706.0039 . Bibcode : 2008PhRvL.100b1303A . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.100.021303 . PMID 18232850 . S2CID 2249288 .
- ^ Угол, Дж .; и другие. (Сотрудничество XENON10) (2008 г.). «Пределы спин-зависимых сечений WIMP-нуклонов из эксперимента XENON10». Письма с физическим обзором . 101 (9): 091301. arXiv : 0805.2939 . Bibcode : 2008PhRvL.101i1301A . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.101.091301 . PMID 18851599 . S2CID 38014288 .
- ^ Aprile, E .; и другие. (Сотрудничество с XENON100) (2011 г.). «Проверка и выбор материала для XENON100». Физика астрономических частиц . 35 (2): 43–49. arXiv : 1103,5831 . Bibcode : 2011APh .... 35 ... 43A . DOI : 10.1016 / j.astropartphys.2011.06.001 . S2CID 119223885 .
- ^ Aprile, E .; и другие. (Сотрудничество с XENON100) (2012 г.). «Результаты темной материи из 225 дней живых данных XENON100». Письма с физическим обзором . 109 (18): 181301. arXiv : 1207.5988 . Bibcode : 2012PhRvL.109r1301A . DOI : 10.1103 / physrevlett.109.181301 . PMID 23215267 . S2CID 428676 .
- ^ Aprile, E .; и другие. (Сотрудничество с XENON100) (2011 г.). «Последствия для неупругой темной материи из 100 дней жизни данных XENON100». Physical Review D . 84 (6): 061101. arXiv : 1104.3121 . Bibcode : 2011PhRvD..84f1101A . DOI : 10.1103 / PhysRevD.84.061101 . S2CID 118604915 .
- ^ Aprile, E .; и другие. (Сотрудничество с XENON100) (2012 г.). «Пределы спин-зависимых сечений WIMP-нуклонов из 225 живых дней данных XENON100». Письма с физическим обзором . 111 (2): 021301. arXiv : 1301.6620 . Bibcode : 2013PhRvL.111b1301A . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.111.021301 . PMID 23889382 . S2CID 15433829 .
- ^ Aprile, E .; и другие. (Сотрудничество с XENON1000) (2014 г.). «Первые результаты Axion из эксперимента XENON100». Physical Review D . 90 (6): 062009. arXiv : 1404.1455 . Bibcode : 2014PhRvD..90f2009A . DOI : 10.1103 / PhysRevD.90.062009 . S2CID 55875111 .
- ^ Aprile, E .; и другие. (Сотрудничество с XENON100) (2011 г.). «Исследование электромагнитного фона в эксперименте XENON100». Physical Review D . 83 (8): 082001. arXiv : 1101.3866 . Bibcode : 2011PhRvD..83h2001A . DOI : 10.1103 / physrevd.83.082001 . S2CID 85451637 .
- ^ "Домашняя страница поиска XENON1T Dark Matter" . XENON сотрудничество . Проверено 2 июня 2017 .
- ^ Aprile, E .; и другие. (Коллаборация XENON) (2017). «Первые результаты поиска темной материи в эксперименте XENON1T» . Письма с физическим обзором . 119 (7679): 153–154. arXiv : 1705.06655 . Bibcode : 2017Natur.551..153G . DOI : 10.1038 / 551153a . PMID 29120431 .
- ^ «Самый чувствительный в мире детектор темной материи запущен и работает» . 24 мая 2017 года . Проверено 25 мая 2017 года .
- ^ «Самый чувствительный в мире детектор темной материи опубликовал первые результаты» . Новости UChicago . 2017-05-18 . Проверено 29 мая 2017 .
- ^ Aprile, E .; и другие. (Коллаборация XENON) (2018). «Результаты поиска темной материи в результате воздействия XENON1T в течение одной тонны в год» . Письма с физическим обзором . 121 (11): 111302. arXiv : 1805.12562 . Bibcode : 2018PhRvL.121k1302A . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.121.111302 . PMID 30265108 .
- ^ Сухонен, Йоуни (2019). «Детектор темной материи наблюдает экзотический ядерный распад» . Природа . 568 (7753): 462–463. Bibcode : 2019Natur.568..462S . DOI : 10.1038 / d41586-019-01212-8 . PMID 31019322 .
- ^ а б Морияма, С. (2019-03-08). «Прямой поиск темной материи с помощью XENONnT. Международный симпозиум« Раскрытие истории Вселенной с помощью подземных частиц и ядерных исследований » » (PDF) . XENON сотрудничество . Проверено 18 ноября 2020 .
- ^ https://centredarkmatter.org.au/allposts/2020/6/25/axions-neutrinos-or-noise-the-xenon1t-surplus
- ^ a b https://www.appec.org/news/assembly-the-xenonnt-dark-matter-detector-during-covid-19-times
- ^ Aprile, E .; и другие. (2020-06-17). «Наблюдение избыточных событий электронной отдачи в XENON1T». Phys. Rev. D . 102 : 2006.09721v1. arXiv : 2006.09721 . DOI : 10.1103 / PhysRevD.102.072004 . S2CID 222338600 .
- ^ Вулховер, Натали (17.06.2020). «Эксперимент с темной материей обнаруживает необъяснимый сигнал» . Журнал Quanta . Проверено 18 июня 2020 .
- ^ «Волнение нарастает от загадочного сигнала в детекторе темной материи» . Мир физики . 2020-10-15 . Проверено 23 октября 2020 .
- ^ Линь, Тонгянь (2020-10-12). «Детектор темной материи выдает загадочный сигнал» . Физика . 13 : 135. Bibcode : 2020PhyOJ..13..135L . DOI : 10.1103 / Physics.13.135 .
- ^ "ScanR | Moteur de la Recherche et de l'Innovation" . scanr.enseignementsup-recherche.gouv.fr (на французском языке) . Проверено 30 июня 2020 .
- ^ Московиц, Клара. «Последний бой Темной Материи» . Scientific American . Проверено 13 апреля 2021 .
дальнейшее чтение
- Угол, Дж; и другие. (2008). «Первые результаты эксперимента с темной материей XENON10 в Национальной лаборатории Гран-Сассо». Письма с физическим обзором . 100 (2): 021303. arXiv : 0706.0039 . Bibcode : 2008PhRvL.100b1303A . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.100.021303 . PMID 18232850 . S2CID 2249288 .
Внешние ссылки
- КСЕНОН Эксперимент
- Домашняя страница XENON в Чикагском университете
- Домашняя страница XENON в Колумбийском университете
- Домашняя страница XENON в Цюрихском университете
- Домашняя страница XENON в Университете Райса
- Домашняя страница XENON в Университете Брауна
- Кацухи Арисака, XENON в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе
- Плоттер пределов темной материи с последними результатами XENON и других экспериментов
- Просвещая темноту, Курьер ЦЕРН, 27 сентября 2013 г.
Координаты : 42 ° 25′14 ″ с.ш., 13 ° 30′59 ″ в.д. / 42,42056 ° с. Ш. 13,51639 ° в. / 42.42056; 13,51639