Jump to content

Большой подземный эксперимент с ксеноном

Координаты : 44 ° 21'07 "с.ш. 103 ° 45'04" з.д.  /  44,352 ° с.ш. 103,751 ° з.д.  / 44,352; -103,751

Эксперимент « Большой подземный ксенон» ( LUX ) был направлен на непосредственное обнаружение взаимодействий слабовзаимодействующих массивных частиц (WIMP) темной материи с обычной материей на Земле. Несмотря на множество (гравитационных) свидетельств, подтверждающих существование небарионной темной материи во Вселенной, [ 1 ] Частицы темной материи в нашей галактике никогда не были обнаружены напрямую в эксперименте. LUX использовал жидкий ксенон массой 370 кг в камере временной проекции (TPC) для идентификации взаимодействий отдельных частиц и поиска слабых взаимодействий темной материи с беспрецедентной чувствительностью. [ 2 ]

Эксперимент LUX, строительство которого обошлось примерно в 10 миллионов долларов, [ 3 ] был расположен на глубине 1510 м (4950 футов) под землей в подземной лаборатории Сэнфорда (SURF, бывшая Глубокая подземная научно-техническая лаборатория, или DUSEL) на шахте Хоумстейк (Южная Дакота) в Лиде, Южная Дакота . Детектор был расположен в кампусе Дэвиса, бывшем месте проведения эксперимента с нейтрино Homestake, получившего Нобелевскую премию, под руководством Рэймонда Дэвиса . Он эксплуатировался под землей для уменьшения фонового шумового сигнала, вызываемого высокоэнергетическими космическими лучами на поверхности Земли.

Детектор был выведен из эксплуатации в 2016 году и сейчас выставлен в Центре для посетителей Sanford Lab Homestake . [ 4 ]

В ходе эксперимента «Большой подземный ксенон» был установлен на глубине 1480 м (4850 футов) под землей внутри щита резервуара для воды.
В ходе эксперимента «Большой подземный ксенон» был установлен на глубине 1480 м (4850 футов) внутри 260-метрового резервуара. 3 (70 000 галлонов США) щиток резервуара для воды. Эксперимент представлял собой камеру временной проекции жидкого ксенона весом 370 кг , целью которой было обнаружение слабых взаимодействий между темной материей вимпа и обычной материей.

Принцип детектора

[ редактировать ]

Детектор был изолирован от фоновых частиц окружающим резервуаром с водой и землей над ним. Эта защита уменьшала космические лучи и радиацию, взаимодействующую с ксеноном.

Взаимодействия в жидком ксеноне генерируют ультрафиолетовые фотоны и электроны с длиной волны 175 нм. Эти фотоны были немедленно обнаружены двумя матрицами из 61 фотоумножителя в верхней и нижней части детектора. Эти быстрые фотоны были сигналом S1. Электроны, генерируемые в результате взаимодействия частиц, под действием электрического поля дрейфовали вверх к газообразному ксенону. Электроны притягивались к поверхности газа более сильным электрическим полем и создавали фотоны электролюминесценции, детектируемые как сигнал S2. Сигнал S1 и последующий сигнал S2 представляли собой взаимодействие частиц в жидком ксеноне.

Детектор представлял собой проекционную камеру (TPC), использующую время между сигналами S1 и S2 для определения глубины взаимодействия, поскольку в жидком ксеноне электроны движутся с постоянной скоростью (около 1–2 км / с, в зависимости от электрического поля). Координата события xy была определена по фотонам электролюминесценции на верхнем массиве статистическими методами ( Монте-Карло и оценка максимального правдоподобия ) с разрешением менее 1 см. [ 5 ]

Взаимодействие частиц в детекторе LUX
Взаимодействие частиц внутри детектора LUX привело к образованию фотонов и электронов. Фотоны ( ), движущиеся со скоростью света, были быстро обнаружены фотоумножителями. Этот фотонный сигнал получил название S1. Электрическое поле в жидком ксеноне дрейфовало электроны к поверхности жидкости. Гораздо более сильное электрическое поле над поверхностью жидкости вытягивало электроны из жидкости в газ, где они порождали фотоны электролюминесценции (точно так же, как неоновая вывеска излучает свет). Фотоны электролюминесценции регистрировались фотоумножителями как сигнал S2. Взаимодействие одиночной частицы в жидком ксеноне можно было идентифицировать по паре сигналов S1 и S2.
Схема большого подземного ксенонового детектора
Схема большого подземного ксенонового детектора (LUX). Детектор состоял из внутреннего криостата, наполненного 370 кг жидкого ксенона (300 кг во внутренней области, называемом «активным объемом»), охлажденного до −100 ° C. 122 фотоумножителя регистрировали свет, генерируемый внутри детектора. Детектор ЛЮКС имел внешний криостат, обеспечивающий вакуумную изоляцию. Резервуар для воды диаметром 8 метров и высотой 6 метров защищал детектор от внешнего излучения, такого как гамма-лучи и нейтроны .

В поисках темной материи

[ редактировать ]

Ожидается, что вимпы будут взаимодействовать исключительно с ядрами жидкого ксенона, что приведет к ядерной отдаче, которая будет очень похожа на нейтронные столкновения. Чтобы выделить взаимодействия вимпов, нейтронные события необходимо свести к минимуму с помощью экранирования и сверхтихих строительных материалов.

Чтобы отличить вимпы от нейтронов, необходимо сравнить количество одиночных взаимодействий с несколькими событиями. Поскольку ожидается, что вимпы будут так слабо взаимодействовать, большинство из них пройдет через детектор незамеченными. Любые вимпы, которые взаимодействуют, будут иметь ничтожную вероятность повторного взаимодействия. Нейтроны, с другой стороны, имеют достаточно большую вероятность множественных столкновений в объеме мишени, частоту которых можно точно предсказать. Используя эти знания, если соотношение одиночных взаимодействий к множественным взаимодействиям превышает определенное значение, можно с уверенностью сделать вывод об обнаружении темной материи.

Сотрудничество

[ редактировать ]

В коллаборацию LUX вошли более 100 ученых и инженеров из 27 учреждений США и Европы. В состав LUX входило большинство американских групп, участвовавших в эксперименте XENON10 , большинство групп в эксперименте ZEPLIN III , большая часть американского компонента эксперимента ZEPLIN II, а также группы, участвовавшие в низкофоновых поисках редких событий, таких как как Super Kamiokande , SNO , IceCube , Kamland , EXO и Double Chooz .

Со-представителями эксперимента LUX были Ричард Гейтскелл из Университета Брауна (который выступал в качестве со-представителя с 2007 года) и Дэниел МакКинси из Калифорнийского университета в Беркли (который выступал в качестве со-представителя с 2012 года). Том Шатт из Университета Кейс Вестерн Резерв был сопредставителем LUX в период с 2007 по 2012 год.

Сборка детектора началась в конце 2009 года. Детектор LUX был введен в эксплуатацию наземно в SURF на шесть месяцев. Собранный детектор был доставлен под землю из наземной лаборатории в течение двух дней летом 2012 года, сбор данных начался в апреле 2013 года, а первые результаты были представлены осенью 2013 года. В 2016 году он был выведен из эксплуатации. [ 4 ]

эксперимент следующего поколения, 7-тонный LUX-ZEPLIN . Был одобрен [ 6 ] ожидается, начнется в 2020 году. [ 7 ]

Результаты

[ редактировать ]

Первоначальные неслепые данные, полученные с апреля по август 2013 года, были объявлены 30 октября 2013 года. В ходе 85-дневного прогона с контрольным объемом 118 кг компания LUX получила 160 событий, соответствующих критериям отбора анализа данных, и все они соответствуют фону отдачи электронов. Статистический подход профиля правдоподобия показывает, что этот результат согласуется с гипотезой только фона (без взаимодействий WIMP) с p-значением 0,35. Это был самый чувствительный результат прямого обнаружения темной материи в мире, который исключил намеки на сигналы WIMP малой массы, такие как CoGeNT и CDMS-II . [ 8 ] [ 9 ] Эти результаты опровергли некоторые теории о вимпах, позволив исследователям сосредоточиться на меньшем количестве потенциальных клиентов. [ 10 ]

В последнем прогоне с октября 2014 года по май 2016 года, при чувствительности, в четыре раза превышающей первоначальную расчетную, с 368 кг жидкого ксенона, LUX не обнаружил никаких признаков кандидатов в темную материю — вимпов. [ 7 ] По словам Итана Сигела , результаты LUX и XENON1T предоставили доказательства против суперсимметричного «чуда WIMP», достаточно сильные, чтобы побудить теоретиков к альтернативным моделям темной материи. [ 11 ]

  1. ^ Беринджер, Дж.; и др. (2012). «Обзор физики элементарных частиц за 2012 год» (PDF) . Физ. Преподобный Д. 86 (10001). Бибкод : 2012PhRvD..86a0001B . дои : 10.1103/PhysRevD.86.010001 .
  2. ^ Акериб, Д. ; и др. (март 2013 г.). «Эксперимент с большим подземным ксеноном (LUX)». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях А . 704 : 111–126. arXiv : 1211.3788 . Бибкод : 2013NIMPA.704..111A . дои : 10.1016/j.nima.2012.11.135 . S2CID   67768071 .
  3. Райх, Э. Охота за темной материей становится глубже. Природа , 21 февраля 2013 г.
  4. ^ Перейти обратно: а б Ван Зи, Эл (20 июля 2017 г.). «Детектор темной материи LUX теперь является частью новой выставки в лаборатории Сэнфорда» . Пионер Блэк-Хиллз . Лид, Южная Дакота . Проверено 21 июня 2019 г.
  5. ^ Акериб; и др. (май 2013 г.). «Технические результаты поверхностного эксперимента с темной материей LUX». Астрофизика частиц . 45 : 34–43. arXiv : 1210.4569 . Бибкод : 2013APh....45...34A . doi : 10.1016/j.astropartphys.2013.02.001 . S2CID   118422051 .
  6. ^ «Поиски темной материи получили одобрение правительства США» . Мир физики . 15 июля 2014 года . Проверено 13 февраля 2020 г.
  7. ^ Перейти обратно: а б «Самые деликатные поиски темной материи в мире закончились с пустыми руками» . Хэмиш Джонстон . Physicsworld.com (IOP). 22 июля 2016 года . Проверено 13 февраля 2020 г.
  8. ^ Акериб, Д. (2014). «Первые результаты эксперимента с темной материей LUX в подземном исследовательском центре Сэнфорда» (PDF) . Письма о физических отзывах . 112 (9): 091303. arXiv : 1310.8214 . Бибкод : 2014PhRvL.112i1303A . doi : 10.1103/PhysRevLett.112.091303 . hdl : 1969.1/185324 . ПМИД   24655239 . S2CID   2161650 . Проверено 30 октября 2013 г.
  9. ^ Поиск темной материи оказался пустым Fox News, 30 октября 2013 г.
  10. ^ Эксперимент с темной материей ничего не нашел, сообщает The Conversation, 1 ноября 2013 г.
  11. ^ Сигел, Итан (22 февраля 2019 г.). «Надежда на «чудо WIMP» на темную материю мертва» . Начинается с взрыва. Форбс . Архивировано из оригинала 22 февраля 2019 года . Проверено 21 июня 2019 г.
[ редактировать ]

44 ° 21'07 "с.ш. 103 ° 45'04" з.д.  /  44,352 ° с.ш. 103,751 ° з.д.  / 44,352; -103,751

Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 00966a2ccc6b46005522d1947c4c68c8__1709561160
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/00/c8/00966a2ccc6b46005522d1947c4c68c8.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Large Underground Xenon experiment - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)