Большой подземный эксперимент с ксеноном

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 ]}

Принцип детектора

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 ( $\gamma$ ), 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.

В поисках темной материи

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

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.

Статус

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

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 ]}

Ссылки

^ 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 .
^ 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 .
↑ Райх, Э. Охота за темной материей становится глубже. Природа , 21 февраля 2013 г.
^ 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.
^ 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 .
^ «Поиски темной материи получили одобрение правительства США» . Мир физики . 15 июля 2014 года . Проверено 13 февраля 2020 г.
^ 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.
^ 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.
^ Поиск темной материи оказался пустым Fox News, 30 октября 2013 г.
^ Эксперимент с темной материей ничего не нашел, сообщает The Conversation, 1 ноября 2013 г.
^ 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.

Внешние ссылки

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

[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.

[BHP2017-4] 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.

[Hamish2016-7] 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.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]