Новая высокоточная калибровка детектора темной материи LUX (Large Underground Xenon) демонстрирует чувствительность эксперимента к событиям сверхнизкой энергии. Новый анализ убедительно подтверждает результат о том, что маломассивные частицы темной материи не появлялись во время первоначального запуска детектора, который завершился прошлым летом.
Первые результаты поиска темной материи детектором LUX были объявлены в октябре прошлого года. Детектор оказался чрезвычайно чувствительным, но не обнаружил никаких доказательств наличия частиц темной материи во время своего первого 90-дневного запуска, что исключает широкий спектр возможных моделей частиц темной материи.
Предыдущие эксперименты обнаружили потенциальные сигнатуры частиц темной материи с очень низкой массой, но LUX не обнаружил такого сигнала. Эта последняя работа была сосредоточена на демонстрации высокой чувствительности LUX к потенциальным сигналам в поисках этих маломассивных частиц.«Новая калибровка повысила нашу точность калибровки примерно в 10 раз», — сказал Рик Гайтскелл, профессор физики в Brown и со-спикер LUX. «Это демонстрирует, что наш первый результат поиска темной материи, который не показал никаких признаков маломассивных частиц, является абсолютно надежным».Результаты нового анализа были представлены 19 февраля 2014 г. в Институте Лейк-Луиз Уинтер в Альберте, Канада, Джеймсом Вербусом, аспирантом Брауна, руководившим новой калибровочной работой.
Считается, что темная материя составляет около 80 процентов массы Вселенной. Хотя это еще не было обнаружено напрямую, физики почти уверены в его существовании. Без гравитационного влияния темной материи галактики и скопления галактик просто разлетелись бы в бескрайние просторы космоса.
Не совсем ясно, что такое темная материя, но основная идея состоит в том, что она состоит из субатомных частиц, называемых вимпами, сокращенно от слабо взаимодействующих массивных частиц. Считается, что вимпы практически повсеместно распространены во Вселенной, но поскольку они очень редко взаимодействуют с другими формами материи, они обычно проходят прямо через Землю и все на ней, даже не подозревая об этом.
LUX предназначен для обнаружения тех редких случаев, когда WIMP действительно взаимодействует с другими формами материи. Детектор состоит из одной трети тонны переохлажденного ксенона в резервуаре, украшенном датчиками света, каждый из которых способен регистрировать одиночный фотон за раз.
Проходя через резервуар, вимпы в очень редких случаях должны наткнуться на ядро атома ксенона. Эти удары заставляют ядро отскочить, создавая крошечную вспышку света и заряд иона, которые улавливаются датчиками LUX. Детектор находится более чем в миле под землей в подземном исследовательском центре Сэнфорда в Южной Дакоте, где он защищен от космических лучей и радиации, которые могут помешать потенциальному сигналу темной материи.Эта последняя работа была совершенно новым способом калибровки детектора для распознавания сигнала WIMP.
«Одна из важных вещей, которые нам нужно сделать, — это откалибровать детектор на то, как будет выглядеть отдача, подобная WIMP, — сказал Вербус. «Вы хотите иметь возможность измерять реакцию вашего детектора на события, подобные WIMP».Для этого ученые используют нейтроны в качестве замены вимпов.
Считается, что отдача, возникающая при ударе нейтрона в ядро атома ксенона, очень похожа на отдачу, создаваемую WIMP. Чтобы откалибровать LUX для маломассивных WIMPS, команда LUX запустила маломассивные нейтроны непосредственно в детектор и использовала инструменты детектора, чтобы точно измерить характеристики отдачи нейтронов. После того, как исследователи точно установили, как выглядит отдача нейтронов малой массы, они вернулись к своим данным, полученным при поиске темной материи, чтобы увидеть, произошли ли подобные события.Уникальность этого метода калибровки заключается в том, что он проводился непосредственно внутри детектора LUX.
В предыдущих экспериментах с ксеноном калибровка нейтронов проводилась в отдельных испытательных камерах, а не в самом детекторе.«Поскольку наш детектор такой большой и так хорошо определяет положение отдачи, — сказал Вербус, — мы можем просто запустить нейтроны прямо в LUX и получить абсолютное измерение энергии».
Команда LUX использовала эту новую калибровку, чтобы перепроверить данные первого запуска детектора. Эти первоначальные результаты подтвердились: в первом прогоне не было маломассивных событий WIMP.
Наряду с маломассивными слабаками, первый 90-дневный запуск LUX исключил широкий спектр возможностей того, из чего может состоять темная материя. «Есть буквально тысячи моделей физики элементарных частиц, окровавленные в сточной канаве», — сказал Гайтскелл о первых результатах детектора.LUX расширит свои поиски в конце этого года, когда начнет второй, продолжающийся год, поиск новых моделей темной материи с еще большей чувствительностью.