КСЕНОН
Проект XENON исследования темной материи , реализуемый в итальянской национальной лаборатории Гран-Сассо , представляет собой глубоко подземный детекторный комплекс, в котором проводятся все более амбициозные эксперименты, направленные на обнаружение гипотетических темной материи частиц . Эксперименты направлены на обнаружение частиц в форме слабовзаимодействующих массивных частиц (WIMP) путем поиска редких взаимодействий ядерной отдачи в мишенной камере с жидким ксеноном . Детектор тока состоит из двухфазной времяпроекционной камеры (TPC).
Эксперимент обнаруживает сигналы сцинтилляции и ионизации, возникающие при взаимодействии внешних частиц в объеме жидкого ксенона, для поиска избыточных событий ядерной отдачи на известном фоне. Обнаружение такого сигнала могло бы стать первым прямым экспериментальным доказательством существования частиц-кандидатов в темную материю. В настоящее время сотрудничество возглавляет итальянский профессор физики Елена Априле из Колумбийского университета .
Принцип детектора
[ редактировать ]В эксперименте XENON используется двухфазная камера временной проекции (TPC), в которой используется жидкая ксеноновая мишень с газообразной фазой сверху. Две матрицы 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 прикладываются как к жидкой, так и к газообразной фазе детектора. Электрическое поле в газовой фазе должно быть достаточно большим для извлечения электронов из жидкой фазы.
Взаимодействие частиц в жидкой мишени приводит к сцинтилляции и ионизации . Мгновенный сцинтилляционный свет производит ультрафиолетовые фотоны с длиной волны 178 нм. Этот сигнал обнаруживается ФЭУ и называется сигналом S1. Приложенное электрическое поле предотвращает рекомбинацию всех электронов, образовавшихся в результате взаимодействия заряженных частиц в ТПК. Эти электроны переносятся к верхней части жидкой фазы под действием электрического поля. Затем ионизация переносится в газовую фазу более сильным электрическим полем в газовой фазе. Электрическое поле ускоряет электроны до такой степени, что создает пропорциональный сцинтилляционный сигнал, который также регистрируется ФЭУ и называется сигналом S2. Этот метод оказался достаточно чувствительным для обнаружения сигналов S2, генерируемых одиночными электронами. [1]
Детектор позволяет полностью определять положение в 3D. [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 точно определить детектор, при котором во внутреннем объеме TPC определяется область с низким фоном. В этом контрольном объеме значительно снижается частота фоновых событий по сравнению с областями детектора на краю TPC из-за самоэкранирующих свойств жидкого ксенона. Это обеспечивает гораздо более высокую чувствительность при поиске очень редких событий.
Ожидается, что заряженные частицы, проходящие через детектор, будут взаимодействовать либо с электронами атомов ксенона, вызывая электронную отдачу, либо с ядром, вызывая ядерную отдачу. Для заданного количества энергии, выделяемой в результате взаимодействия частиц в детекторе, отношение S2/S1 можно использовать в качестве параметра дискриминации для различения событий электронной и ядерной отдачи. [3] Ожидается, что это соотношение будет больше для электронной отдачи, чем для ядерной отдачи. Таким образом, фон от электронной отдачи можно подавить более чем на 99%, одновременно сохраняя 50% событий ядерной отдачи.
КСЕНОН10
[ редактировать ]Эксперимент XENON10 был установлен в подземной лаборатории Гран-Сассо в Италии в марте 2006 года. Подземное расположение лаборатории обеспечивает защиту в водном эквиваленте на высоте 3100 м. Детектор был помещен в экран для дальнейшего снижения уровня фона в ТПК. 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 имеет диаметр 20 см и высоту 15 см. [4]
Анализ данных за 59 дней, проведенный в период с октября 2006 г. по февраль 2007 г., не выявил сигнатур WIMP. Количество событий, наблюдаемых в области поиска WIMP, статистически соответствует ожидаемому количеству событий на фоне электронной отдачи. Этот результат исключил часть доступного пространства параметров в минимальных суперсимметричных моделях , установив ограничения на независимые от спина сечения вимп-нуклонов до значений ниже 10 × 10. −43 см 2 для энергии 30 ГэВ/ c 2 ВИМП масса. [5]
Из-за того, что почти половина природного ксенона имеет нечетные спиновые состояния ( 129 Xe имеет содержание 26% и спин 1/2; 131 Xe имеет содержание 21% и спин 3/2), детекторы XENON также могут использоваться для определения ограничений на спин-зависимые сечения вимп-нуклонов для связи частицы-кандидата в темную материю как с нейтронами, так и с протонами. XENON10 устанавливает самые строгие в мире ограничения на взаимодействие чистых нейтронов. [6]
КСЕНОН100
[ редактировать ]Детектор второй фазы XENON100 содержит 165 кг жидкого ксенона, из которых 62 кг находятся в целевой области, а оставшийся ксенон - в активном вето. ТПК детектора имеет диаметр 30 см и высоту 30 см. Поскольку ожидается, что взаимодействия WIMP будут крайне редкими событиями, на этапе строительства и ввода в эксплуатацию XENON100 была начата тщательная кампания по проверке всех частей детектора на предмет радиоактивности. Скрининг проводился с использованием детекторов из германия высокой чистоты . В некоторых случаях масс-спектрометрию проводили на образцах пластика малой массы. При этом цель проектирования <10 −2 событий/кг/день/кэВ [7] была достигнута, реализовав детектор темной материи с самой низкой в мире фоновой интенсивностью.
Детектор был установлен в Национальной лаборатории Гран-Сассо в 2008 году в том же щите, что и детектор XENON10, и провел несколько научных экспериментов. В каждом научном эксперименте не наблюдалось ни одного сигнала темной материи выше ожидаемого фона, что привело к наиболее строгому ограничению спин-независимого сечения вимп-нуклона в 2012 году с минимумом 2,0 × 10 . −45 см 2 для энергии 65 ГэВ/ c 2 ВИМП масса. [8] Эти результаты ограничивают интерпретацию сигналов в других экспериментах как взаимодействий темной материи и исключают экзотические модели, такие как неупругая темная материя, которые могли бы разрешить это несоответствие. [9] XENON100 также обеспечил улучшенные ограничения на спин-зависимое сечение вимп-нуклона. [10] Результат аксиона был опубликован в 2014 году. [11] установка нового лучшего предела аксионов.
XENON100 провел эксперимент с самым низким на тот момент фоном для поиска темной материи с фоном 50 мDRU (1 мDRU = 10 −3 событий/кг/день/кэВ). [12]
КСЕНОН1Т
[ редактировать ]Строительство следующей фазы, 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 размещен в резервуаре с водой длиной 10 м, который служит мюонным вето. ТПК имеет диаметр 1 м и высоту 1 м.
Команда проекта детектора, получившая название 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-дневного сбора данных в период с ноября 2016 года по январь 2017 года. Хотя никаких вимпов или сигналов-кандидатов на темную материю официально обнаружено не было, команда все же объявила о рекорде. небольшое снижение уровня фоновой радиоактивности, улавливаемое XENON1T. Пределы исключения превысили предыдущие лучшие пределы, установленные экспериментом LUX , с исключением поперечных сечений размером более 7,7 × 10. −47 см 2 для вимпов с массой 35 ГэВ/ c 2 . [14] [15] Поскольку некоторые сигналы, которые принимает детектор, могут быть вызваны нейтронами, снижение 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 упругих взаимодействий вимп-нуклонов, независимых от спина, с минимумом 4,1 × 10 −47 см 2 при массе вимпа 30 ГэВ/ c 2 . [17]
В апреле 2019 года на основе измерений, выполненных с помощью детектора XENON1T, коллаборация XENON сообщила в журнале Nature о первом прямом наблюдении двойного электронного захвата двумя нейтрино 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 широкий физический охват еще более крупных экспериментов следующего поколения. Это измерение представляет собой первый шаг в поисках процесса безнейтринного двойного электронного захвата , обнаружение которого позволило бы лучше понять природу нейтрино и определить его абсолютную массу.
По состоянию на 2019 год эксперимент XENON1T прекратил сбор данных, чтобы можно было приступить к созданию следующего этапа — XENONnT. [19] Детектор XENON1T работал в 2016–2018 гг., эксплуатация детектора завершилась в конце 2018 г. [20]
В июне 2020 года коллаборация XENON1T сообщила о превышении отдачи электронов: 285 событий, что на 53 больше ожидаемых 232. [21] [22] со статистической значимостью 3,5σ. [23] Были рассмотрены три объяснения: существование современных гипотетических солнечных аксионов , удивительно большой магнитный момент для нейтрино и загрязнение трития в детекторе. Позже другие группы дали множество других объяснений. [24] интерпретация результатов не как частиц темной материи, а как кандидатов в частицы темной энергии, называемых хамелеонами . а в 2021 году также будет обсуждаться [25] [26] В июле 2022 года новый анализ XENONnT исключил избыток. [27] [28]
КСЕНОНТ
[ редактировать ]XENONnT — это модернизация подземного эксперимента XENON1T на СПГ. Его системы будут содержать общую массу ксенона более 8 тонн. Помимо более крупной ксеноновой мишени в камере временной проекции, модернизированный эксперимент будет включать в себя новые компоненты для дальнейшего уменьшения или маркировки излучения, которое в противном случае составляло бы фон для его измерений. Он предназначен для достижения чувствительности (в небольшой части зондируемого диапазона масс), при которой нейтрино становятся существенным фоном. По состоянию на 2019 год модернизация продолжалась, и первый свет ожидался в 2020 году. [19] [29]
Детектор XENONnT находился в стадии строительства в марте 2020 года. Даже несмотря на проблемы, вызванные COVID-19, проект смог завершить строительство и перейти к этапу ввода в эксплуатацию к середине 2020 года. Полная эксплуатация детектора началась в конце 2020 года. [20] [30] В сентябре 2021 года XENONnT собирал научные данные для своего первого научного запуска, который в то время продолжался. [31]
28 июля 2023 года XENONnT опубликовал первые результаты поиска вимпов. [32] исключая поперечные сечения выше при 28 ГэВ с уровнем достоверности 90%, [33] совместно в тот же день эксперимент LZ опубликовал свои первые результаты, за исключением приведенных выше сечений. при 36 ГэВ с уровнем достоверности 90%. [34]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Априле, Э.; и др. (Сотрудничество XENON100) (2014). «Наблюдение и применение сигналов одноэлектронного заряда в эксперименте XENON100». Журнал физики Г. 41 (3): 035201. arXiv : 1311.1088 . Бибкод : 2014JPhG...41c5201A . дои : 10.1088/0954-3899/41/3/035201 . S2CID 28681085 .
- ^ Априле, Э.; и др. (Сотрудничество XENON100) (2012). «Эксперимент с темной материей XENON100». Астрофизика частиц . 35 (9): 573–590. arXiv : 1107.2155 . Бибкод : 2012APh....35..573X . CiteSeerX 10.1.1.255.9957 . doi : 10.1016/j.astropartphys.2012.01.003 . S2CID 53682520 .
- ^ Априле, Э.; и др. (2014). «Анализ данных поиска темной материи XENON100». Астрофизика частиц . 54 : 11–24. arXiv : 1207.3458 . Бибкод : 2014APh....54...11A . doi : 10.1016/j.astropartphys.2013.10.002 . S2CID 32866170 .
- ^ Априле, Э.; и др. (Сотрудничество XENON10) (2011). «Проект и реализация эксперимента XENON10». Астрофизика частиц . 34 (9): 679–698. arXiv : 1001.2834 . Бибкод : 2011APh....34..679A . doi : 10.1016/j.astropartphys.2011.01.006 . S2CID 118661045 .
- ^ Энгл, Дж.; и др. (Сотрудничество XENON10) (2008). «Первые результаты эксперимента с темной материей XENON10 в Национальной лаборатории Гран-Сассо». Письма о физических отзывах . 100 (2): 021303. arXiv : 0706.0039 . Бибкод : 2008PhRvL.100b1303A . doi : 10.1103/PhysRevLett.100.021303 . ПМИД 18232850 . S2CID 2249288 .
- ^ Энгл, Дж.; и др. (Сотрудничество XENON10) (2008). «Ограничения на спин-зависимые сечения WIMP-нуклонов из эксперимента XENON10». Письма о физических отзывах . 101 (9): 091301. arXiv : 0805.2939 . Бибкод : 2008PhRvL.101i1301A . doi : 10.1103/PhysRevLett.101.091301 . ПМИД 18851599 . S2CID 38014288 .
- ^ Априле, Э.; и др. (Сотрудничество XENON100) (2011). «Проверка и выбор материалов для XENON100». Астрофизика частиц . 35 (2): 43–49. arXiv : 1103.5831 . Бибкод : 2011APh....35...43A . doi : 10.1016/j.astropartphys.2011.06.001 . S2CID 119223885 .
- ^ Априле, Э.; и др. (Сотрудничество XENON100) (2012). «Результаты темной материи на основе данных XENON100 за 225 дней». Письма о физических отзывах . 109 (18): 181301. arXiv : 1207.5988 . Бибкод : 2012PhRvL.109r1301A . дои : 10.1103/physrevlett.109.181301 . ПМИД 23215267 . S2CID 428676 .
- ^ Априле, Э.; и др. (Сотрудничество XENON100) (2011). «Последствия для неупругой темной материи на основе данных XENON100 за 100 дней». Физический обзор D . 84 (6): 061101. arXiv : 1104.3121 . Бибкод : 2011PhRvD..84f1101A . дои : 10.1103/PhysRevD.84.061101 . S2CID 118604915 .
- ^ Априле, Э.; и др. (Сотрудничество XENON100) (2012). «Ограничения на спин-зависимые сечения вимп-нуклонов на основе данных XENON100 за 225 дней». Письма о физических отзывах . 111 (2): 021301. arXiv : 1301.6620 . Бибкод : 2013PhRvL.111b1301A . doi : 10.1103/PhysRevLett.111.021301 . ПМИД 23889382 . S2CID 15433829 .
- ^ Априле, Э.; и др. (Сотрудничество XENON1000) (2014). «Первые аксионные результаты эксперимента XENON100». Физический обзор D . 90 (6): 062009. arXiv : 1404.1455 . Бибкод : 2014PhRvD..90f2009A . doi : 10.1103/PhysRevD.90.062009 . S2CID 55875111 .
- ^ Априле, Э.; и др. (Сотрудничество XENON100) (2011). «Исследование электромагнитного фона в эксперименте XENON100». Физический обзор D . 83 (8): 082001. arXiv : 1101.3866 . Бибкод : 2011ФРвД..83х2001А . дои : 10.1103/physrevd.83.082001 . S2CID 85451637 .
- ^ «Домашняя страница поиска темной материи XENON1T» . КСЕНОНОВОЕ сотрудничество . Проверено 2 июня 2017 г.
- ^ Априле, Э.; и др. (коллаборация XENON) (2017). «Первые результаты поиска темной материи в результате эксперимента XENON1T» . Письма о физических отзывах . 119 (7679): 153–154. arXiv : 1705.06655 . Бибкод : 2017Natur.551..153G . дои : 10.1038/551153а . ПМИД 29120431 .
- ^ «Самый чувствительный в мире детектор темной материи запущен и работает» . 24 мая 2017 года . Проверено 25 мая 2017 г.
- ^ «Самый чувствительный в мире детектор темной материи опубликовал первые результаты» . Новости Чикаго . 18 мая 2017 г. Проверено 29 мая 2017 г.
- ^ Априле, Э.; и др. (коллаборация XENON) (2018). «Результаты поиска темной материи в результате воздействия XENON1T в течение одной тонны года» . Письма о физических отзывах . 121 (11): 111302. arXiv : 1805.12562 . Бибкод : 2018PhRvL.121k1302A . doi : 10.1103/PhysRevLett.121.111302 . ПМИД 30265108 .
- ^ Сухонен, Йоуни (2019). «Детектор темной материи наблюдает экзотический ядерный распад» . Природа . 568 (7753): 462–463. Бибкод : 2019Natur.568..462S . дои : 10.1038/d41586-019-01212-8 . ПМИД 31019322 .
- ^ Перейти обратно: а б Морияма, С. (08 марта 2019 г.). «Прямой поиск темной материи с помощью XENONnT. Международный симпозиум «Раскрытие истории Вселенной с помощью подземных исследований частиц и ядерных исследований»» ( PDF) . КСЕНОНОВОЕ сотрудничество . Проверено 18 ноября 2020 г.
- ^ Перейти обратно: а б «Сборка детектора темной материи XENONnT во времена Covid-19 » APPEC» .
- ^ Априле, Э.; и др. (17.06.2020). «Наблюдение за избыточной электронной отдачей в XENON1T». Физ. Преподобный Д. 102 : 2006.09721v1. arXiv : 2006.09721 . doi : 10.1103/PhysRevD.102.072004 . S2CID 222338600 .
- ^ Уолчовер, Натали (17 июня 2020 г.). «Эксперимент с темной материей обнаружил необъяснимый сигнал» . Журнал Кванта . Проверено 18 июня 2020 г.
- ^ Линь, Тонгьян (12 октября 2020 г.). «Детектор темной материи выдает загадочный сигнал» . Физика . 13 : 135. Бибкод : 2020PhyOJ..13..135L . дои : 10.1103/Физика.13.135 .
- ^ «Возбуждение растет по поводу загадочного сигнала в детекторе темной материи» . Мир физики . 15 октября 2020 г. Проверено 23 октября 2020 г.
- ^ Санни Ваньоцци; Лука Визинелли; Филипп Бракс; Энн-Кристин Дэвис; Джереми Сакштейн (2021). «Прямое обнаружение темной энергии: избыток XENON1T и перспективы на будущее». Физический обзор D . 104 (6): 063023. arXiv : 2103.15834 . Бибкод : 2021ФРвД.104ф3023В . дои : 10.1103/PhysRevD.104.063023 . S2CID 232417159 .
- ^ Обнаружили ли мы темную энергию? Кембриджские ученые говорят, что это возможно , Кембриджский университет, 15 сентября 2021 г.
- ^ «Новый эксперимент с темной материей опроверг предыдущие намеки на новые частицы» . Новости науки . 22 июля 2022 г. Проверено 3 августа 2022 г.
- ^ Априле, Э.; Абэ, К.; Агостини, Ф.; Маулуд, С. Ахмед; Альтюзер, Л.; Эндрю, Б.; Анджелино, Э.; Дизайнеры, младший; Анточи, ВК; Мартин, Д. Антон; Арнеодо, Ф. (22 июля 2022 г.). «Поиск новой физики в данных электронной отдачи от XENONnT». arXiv : 2207.11330 [ hep-ex ].
- ^ «scanR | Механизм исследований и инноваций» . scanr.enseignementsup-recherche.gouv.fr (на французском языке) . Проверено 30 июня 2020 г.
- ^ Московиц, Клара. «Последний бой темной материи» . Научный американец . Проверено 13 апреля 2021 г.
- ^ Перес, Рикардо. «Эксперимент XENONnT – Детектор и научная программа» (PDF) . cern.ch. Проверено 22 марта 2022 г.
- ^ Дэй, Чарльз (28 июля 2023 г.). «Поиски слабаков продолжаются» . Физика . 16 : с106. arXiv : 2207.03764 . doi : 10.1103/PhysRevLett.131.041002 .
- ^ КСЕНОН Сотрудничество; Априле, Э.; Абэ, К.; Агостини, Ф.; Ахмед Маулуд, С.; Альтюзер, Л.; Андрие, Б.; Анджелино, Э.; Ангевааре, младший; Анточи, ВК; Антон Мартин, Д.; Арнеодо, Ф.; Баудис, Л.; Бакстер, Алабама; Базык, М. (28 июля 2023 г.). «Первый поиск темной материи с помощью ядерной отдачи в результате эксперимента XENONnT» . Письма о физических отзывах . 131 (4): 041003.arXiv : 2303.14729 . doi : 10.1103/PhysRevLett.131.041003 .
- ^ ЛЮКС-ЗЕПЛИН Коллаборация; Ольберс, Дж.; Акериб, Д.С.; Акерлоф, CW; Аль Мусалхи, АК; Олдер, Ф.; Алькахтани, А.; Алсум, СК; Амарасингхе, CS; Эймс, А.; Андерсон, Ти Джей; Ангелидес, Н.; Араужо, HM; Армстронг, Дж. Э.; Артурс, М. (28 июля 2023 г.). «Первые результаты поиска темной материи в ходе эксперимента LUX-ZEPLIN (LZ)» . Письма о физических отзывах . 131 (4): 041002. arXiv : 2207.03764 . doi : 10.1103/PhysRevLett.131.041002 .
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Угол, Дж; и др. (2008). «Первые результаты эксперимента с темной материей XENON10 в Национальной лаборатории Гран-Сассо». Письма о физических отзывах . 100 (2): 021303. arXiv : 0706.0039 . Бибкод : 2008PhRvL.100b1303A . doi : 10.1103/PhysRevLett.100.021303 . ПМИД 18232850 . S2CID 2249288 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Эксперимент «Ксенон»
- 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 Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе
- Построитель пределов темной материи с последними результатами КСЕНОНА и других экспериментов.
- Просвещая тьму, CERN Courier, 27 сентября 2013 г.