Вчені копають під землею, сподіваючись виявити темну матерію

Глибоко під Південною Дакотою вчені полюють на невидиме. Такі фізики, як я, не зовсім розуміють, що становить близько  83% матерії Всесвіту  — те, що ми називаємо «темною матерією». Але з резервуаром, наповненим ксеноном, закопаним майже на милю під Південною Дакотою, ми, можливо, одного разу зможемо виміряти, що насправді таке темна матерія.

У типовій моделі на темну матерію припадає більша частина гравітаційного тяжіння у Всесвіті, забезпечуючи клей, який дозволяє формувати такі структури, як галактики, включаючи наш Чумацький Шлях. Коли Сонячна система обертається навколо центру Чумацького Шляху, Земля рухається через  гало темної матерії, яка становить більшу частину матерії в нашій галактиці.

Одне з популярних припущень полягає в тому, що темна матерія — це новий тип частинок, слабко взаємодіючих масивних частинок або WIMP. “WIMP” досить добре описує суть частинки – вона має масу, тобто взаємодіє гравітаційно, але в іншому випадку вона дуже слабо – або рідко – взаємодіє зі звичайною матерією. Теоретично WIMP у Чумацькому Шляху весь час пролітають крізь нас на Землі, але оскільки вони слабо взаємодіють, вони просто ні про що не стикаються.

Пошук WIMP

За останні 30 років вчені розробили  експериментальну програму,  щоб спробувати виявити рідкісні взаємодії між WIMP і звичайними атомами. Однак на Землі нас постійно оточують низькі, безпечні рівні радіоактивності, що походять від мікроелементів, головним чином урану та торію, у навколишньому середовищі, а також від космічних променів із космосу. Мета пошуку темної матерії полягає в тому, щоб побудувати максимально чутливий детектор, щоб він міг бачити темну матерію, і розмістити його в якомога тихішому місці, щоб сигнал темної матерії можна було побачити на фоні радіоактивності.

З  результатами, опублікованими в липні 2023 року,  співпраця LUX-ZEPLIN, або LZ, зробила саме це, створивши найбільший на сьогодні детектор темної матерії та запустивши його на глибині 4850 футів (1478 метрів) під землею в підземному дослідницькому центрі Санфорд у  Ліді, Південна Дакота. У центрі LZ лежить 10 метричних тонн (10 000 кілограмів) рідкого ксенону. Коли частинки проходять через детектор, вони можуть стикатися з атомами ксенону, що призводить до спалаху світла та вивільнення електронів.

У LZ дві масивні електричні сітки створюють електричне поле в об’ємі рідини, яке штовхає ці вивільнені електрони на поверхню рідини. Коли вони порушують поверхню, вони втягуються в простір над рідиною, який заповнений газоподібним ксеноном, і прискорюються іншим електричним полем, створюючи другий спалах світла. Дві великі матриці датчиків світла збирають ці два спалахи світла, і разом вони дозволяють дослідникам реконструювати положення, енергію та тип взаємодії, що відбулося.

Зниження радіоактивності

Усі матеріали на Землі, включно з тими, що використовуються в конструкції детектора WIMP,  випромінюють певне випромінювання, яке потенційно може маскувати взаємодію темної матерії. Тому вчені створюють детектори темної матерії, використовуючи найбільш «радіочисті» матеріали — тобто вільні від радіоактивних забруднень — які вони можуть знайти як всередині, так і зовні детектора.

Наприклад, працюючи з ливарними цехами, LZ зміг використати найчистіший  титан на Землі  для створення центрального циліндра – або кріостата – який утримує рідкий ксенон. Використання цього спеціального титану зменшує радіоактивність у LZ, створюючи вільний простір, щоб побачити будь-які взаємодії темної матерії. Крім того, рідкий ксенон настільки щільний, що фактично діє як радіаційний щит, і його легко очистити від радіоактивних забруднень, які можуть проникнути.

У LZ центральний детектор ксенону знаходиться всередині двох інших детекторів, які називаються оболонкою ксенону та зовнішнім детектором. Ці опорні шари вловлюють радіоактивність на шляху до центральної ксенонової камери або з неї. Оскільки взаємодії темної матерії дуже рідкісні, частинка темної матерії буде взаємодіяти лише один раз у всьому апараті. Таким чином, якщо ми спостерігаємо подію з кількома взаємодіями в ксеноні або зовнішньому детекторі, ми можемо припустити, що це не викликано WIMP.

Полювання триває

У щойно опублікованих результатах, використовуючи дані за 60 днів, LZ реєструвала близько п’яти подій на день у детекторі. Це приблизно на трильйон подій менше, ніж звичайний детектор частинок на поверхні зафіксував би за день. Дивлячись на характеристики цих подій, дослідники можуть з упевненістю сказати, що темна матерія досі не викликала жодної взаємодії. Результат, на жаль, не є відкриттям нової фізики, але ми можемо встановити обмеження на те, наскільки слабко повинна взаємодіяти темна матерія, оскільки вона залишається невидимою LZ.

Ці обмеження допомагають зрозуміти фізикам, чим не є темна матерія, і LZ робить це краще, ніж будь-який експеримент у світі. Тим часом є надія на те, що буде далі в пошуках темної матерії. Зараз LZ збирає більше даних, і ми очікуємо, що протягом наступних кількох років ми отримаємо більше ніж у 15 разів більше даних. Взаємодія WIMP може вже бути в цьому наборі даних і просто чекати, щоб її виявити в наступному раунді аналізу. Джерело