Как мы уже упомянули, LUX занимается прямым наблюдением вимпов, в отличие, к примеру, от детектора CDMS ("Криогенный поиск тёмной материи"), который ищет лишь следы присутствия этих частиц.
Это значит, что Большой подземный ксеноновый детектор фиксирует случаи
взаимодействия частиц тёмной материи с частицами материи обычной. А так
как то, что эти два вида вещества действительно взаимодействуют,
известно наверняка, учёные не сомневаются, что результаты будут
положительными.
Но есть несколько сложностей, которые
необходимо учитывать. Вимпы — лишь один из видов гипотетических частиц,
из которых может состоять тёмная материя. Физики-теоретики также
говорили о том, что она может состоять и из обычных тёмных атомов,
а значит, и тёмных электронов, взаимодействующих каким-то образом (явно
отличным от обычного электромагнитного взаимодействия) с тёмными
фотонами.
Если это действительно так, то тёмная материя должна состоять из обычного барионного
вещества, которое просто обладает непривычными для нас свойствами, но
учёные больше склоняются к идее о существовании небарионной тёмной
материи.
Небарионная тёмная материя может состоять из множества различных частиц. И тут не последнюю роль играют нейтрино: тяжёлые виды этих неуловимых, но вездесущих частиц могут составлять крупную часть холодной тёмной материи.
Помимо вимпов, тяжёлых нейтрино и тёмных атомов, физики говорили об аксионах,
которые также являются гипотетическими частицами, и космионах. Впрочем,
последних не так давно исключили из кандидатов на роль частиц тёмной
материи.
Детектор LUX сосредоточен именно на
вимпах, и в своём роде он лучший. Наученные опытом прошлых лет, когда
физики постоянно объявляли об обнаружении частиц тёмной материи, а потом
это оказывалось фоновым явлением, сотрудники проекта приложили немало
усилий, чтобы сделать LUX самым чувствительным в мире детектором и
исключить вероятность "открытия" столкновений обычных частиц.
Более сотни специалистов из 17 научных
институтов и университетов по всему миру на протяжении трёх месяцев, а
точнее, 85 дней неустанно следили за работой ксенонового детектора. О
вимпах до сих пор известно очень немного, загадкой остаётся даже их
приблизительная масса. Но учёные воспользовались результатами
экспериментов своих предшественников, чтобы точно понимать, с чем они
имеют дело.
Как сообщается в пресс-релизе,
детектор LUX обладает пиком чувствительности для вимпов массой в 33
гигаэлектронвольта (ГэВ), и это втрое точнее, чем самый точный из
предшествующих экспериментальных детекторов тёмной материи. Также LUX
обладает в 20 раз большей, чем у других приборов, чувствительностью к
вимпам малой массы, существование которых было предсказано сотрудниками
аналогичных предыдущих экспериментов.
Уже упомянутый нами проект CDSM как раз
заявил о том, что вимпы могут обладать массой 8,6 ГэВ, что значительно
меньше, чем предполагали теоретики. В апреле 2013 года было объявлено о
трёх случаях обнаружения следов таких частиц. К этому событию физики
отнеслись с особым вниманием — одной из целей всего эксперимента было
подтвердить или опровергнуть существование вимпов малой массы. Но об
этом чуть позже.
Во избежание попадания в детектор
космических лучей и других частиц материи, прибор поместили на 4850
метров под землю, куда лишь немногие частицы, кроме вимпов, конечно же,
могут проникнуть. LUX располагается в стерильном помещении в большом
резервуаре с чистой водой.
"Это значительно упрощает наблюдение за столкновениями вимпов с ядрами ксенона", — говорит Рик Гайтскелл (Rick Gaitskell), физик из университета Брауна, сотрудник проекта и один из ведущих прошедшего семинара.
Сам детектор представляет собой
1,82-метровый титановый бак, наполненный более чем 300 килограммами
жидкого ксенона, охлаждённого до -65 градусов по Цельсию. Принцип работы
устройства относительно прост: когда вимп попадает в детектор, то
сталкивается с атомом ксенона, который отскакивает от соседних атомов и
испускает фотоны и электроны. Электроны отправляются электрическим полем
вверх, и начинают взаимодействовать с тонким слоем ксенонового газа на
поверхности чана, испуская всё больше фотонов.
Детекторы света, расположенные сверху и
снизу от чана, способны зафиксировать выход даже единичного фотона,
поэтому местоположение двухфотонных сигналов (один появится у
поверхности, а другой — в точке столкновения), можно определить с
точностью до нескольких миллиметров. А по интенсивности сигнала можно
вычислить энергию взаимодействия.
LUX был установлен в лаборатории летом
2012 года. В феврале 2013 года титановый чан заполнили жидким ксеноном, а
непрерывная работа по прямому наблюдению стартовала в августе и не
прекращалась до октября. За 85 дней проведения эксперимента было
зафиксировано 160 случаев предположительного попадания вимпов в
детектор, то есть чуть менее 1,9 событий в день.
Масса частиц тёмной материи, согласно
вычислениям физиков, должна составлять около 33 гигаэлектронвольт.
Именно о таких частицах и отчитались сотрудники эксперимента.
Но помимо взаимодействия тяжёлых вимпов с
ядрами ксенона, учёные также зафиксировали 1550 возможных случаев
попадания в детектор вимпов малой массы, о которых говорили сотрудники
проекта "Криогенный поиск тёмной материи". В правдоподобности того, что
"лёгкие" вимпы действительно существуют, физики выражают большие
сомнения, поскольку их наличие попросту не вписывается в расчёты.
Планирование следующего этапа
эксперимента, который будет проходить в течение следующих двух лет (с
2014 по 2016 год) уже идёт полным ходом. Сотрудники проекта понимают,
что главное преимущество детектора LUX состоит в его больших размерах и
потому, чтобы ещё повысить точность наблюдений, следующий прибор сделают
значительно больше.
Новый детектор будет представлять собой
титановый чан, наполненный 7 тоннами жидкого ксенона и помещённый в
72000-литровый бассейн с чистейшей водой. В эксперименте, который будет
называться LUX-ZEPLIN, примет участия и команда проекта LUX, и новые сотрудники из других научных центров.
Подробную статью о первичных результатах эксперимента по поиску частиц тёмной материи можно найти на сайте проекта.
Также по теме:
Мир замер в ожидании больших новостей о тёмной материи
Стартовал пятилетний проект по наблюдению за тёмной энергией
В Миннесоте обнаружены следы тёмной материи
Детектор из золота и ДНК поможет доказать существование тёмной материи
Учёные CERN зафиксировали следы тёмной материи в космосе
|