КСЕНОН
Проект исследования темной материи

Исследовательский проект темной материи XENON , реализуемый в итальянской Национальной лаборатории Гран-Сассо , представляет собой глубокую подземную детекторную установку, в которой проводятся все более амбициозные эксперименты, направленные на обнаружение гипотетических частиц темной материи . Целью экспериментов является обнаружение частиц в форме слабо взаимодействующих массивных частиц (WIMP) путем поиска редких ядерных взаимодействий отдачи в целевой камере с жидким ксеноном . Текущий детектор состоит из двухфазной камеры проекции времени (TPC).

Эксперимент обнаруживает сигналы сцинтилляции и ионизации , возникающие при взаимодействии внешних частиц в объеме жидкого ксенона, для поиска избытка событий ядерной отдачи на известных фонах. Обнаружение такого сигнала предоставит первое прямое экспериментальное доказательство наличия частиц-кандидатов темной материи. В настоящее время сотрудничество возглавляет итальянский профессор физики Елена Априле из Колумбийского университета .

Принцип работы детектора

Эскиз принципа работы ксенонового двухфазного TPC

Эксперимент XENON использует двухфазную проекционную камеру (TPC), которая использует жидкую ксеноновую мишень с газообразной фазой сверху. Два массива фотоумножительных трубок (ФЭУ), один в верхней части детектора в газообразной фазе (GXe), а другой в нижней части жидкого слоя (LXe), обнаруживают сцинтилляцию 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 газообразной фазе должно быть достаточно большим, чтобы извлекать электроны из жидкой фазы.

Взаимодействие частиц в жидкой мишени производит сцинтилляцию и ионизацию . Быстрый сцинтилляционный свет производит ультрафиолетовые фотоны 178 нм. Этот сигнал обнаруживается ФЭУ и называется сигналом S1. Приложенное электрическое поле предотвращает рекомбинацию всех электронов, полученных в результате взаимодействия заряженных частиц в TPC. Эти электроны дрейфуют в верхнюю часть жидкой фазы электрическим полем. Затем ионизация извлекается в газовую фазу более сильным электрическим полем в газообразной фазе. Электрическое поле ускоряет электроны до точки, в которой он создает пропорциональный сцинтилляционный сигнал, который также собирается ФЭУ и называется сигналом S2. Эта техника оказалась достаточно чувствительной для обнаружения сигналов S2, генерируемых отдельными электронами. [1]

Детектор позволяет полностью определить 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, увиденных каждым из отдельных ФЭУ. Полное положение в 3D позволяет выполнить фидуциализацию детектора , в котором область с низким фоном определяется во внутреннем объеме TPC. Этот фидуциальный объем имеет значительно сниженную скорость фоновых событий по сравнению с областями детектора на краю TPC из-за самоэкранирующих свойств жидкого ксенона. Это позволяет добиться гораздо более высокой чувствительности при поиске очень редких событий.

Заряженные частицы, движущиеся через детектор, как ожидается, будут либо взаимодействовать с электронами атомов ксенона, производя электронные отдачи, либо с ядром, производя ядерные отдачи. Для заданного количества энергии, вложенной взаимодействием частиц в детектор, отношение S2/S1 может использоваться в качестве параметра дискриминации для различения событий электронной и ядерной отдачи. [3] Ожидается, что это отношение будет больше для электронных отдач, чем для ядерных отдач. Таким образом, фон от электронных отдач может быть подавлен более чем на 99%, при этом одновременно сохраняя 50% событий ядерной отдачи.

КСЕНОН10

Криостат и экран XENON100. Экран состоит из внешнего слоя воды толщиной 20 см, слоя свинца толщиной 20 см, слоя полиэтилена толщиной 20 см и внутри слоя меди толщиной 5 см.

Эксперимент XENON10 был установлен в подземной лаборатории Гран-Сассо в Италии в марте 2006 года. Подземное расположение лаборатории обеспечивает 3100 м2 экранирования в водном эквиваленте. Детектор был помещен в экран для дальнейшего снижения фонового уровня в TPC. 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 составляет 20 см в диаметре и 15 см в высоту. [4]

Анализ данных за 59 дней, полученных в режиме реального времени, проведенный с октября 2006 года по февраль 2007 года, не выявил никаких признаков WIMP. Количество событий, наблюдаемых в области поиска WIMP, статистически согласуется с ожидаемым количеством событий из фонов электронной отдачи. Этот результат исключил часть доступного пространства параметров в минимальных суперсимметричных моделях , наложив ограничения на независимые от спина сечения WIMP-нуклонов ниже10 × 10 −43  см 2 для30 ГэВ/ c 2 масса WIMP. [5]

Поскольку почти половина природного ксенона имеет нечетные спиновые состояния ( 129 Xe имеет распространенность 26% и спин-1/2; 131 Xe имеет распространенность 21% и спин-3/2), детекторы XENON также могут быть использованы для определения пределов спин-зависимых сечений WIMP-нуклонов для связи кандидата на частицу темной материи как с нейтронами, так и с протонами. XENON10 устанавливает самые строгие в мире ограничения на чистую нейтронную связь. [6]

КСЕНОН100

Массив ФЭУ Borrom из XENON100
Верхний массив ФЭУ XENON100 содержит 98 ФЭУ Hamamatsu R8520-06-A1. ФЭУ на верхнем массиве размещены в концентрических окружностях для улучшения реконструкции радиального положения наблюдаемых событий.
Массив ФЭУ Borrom из XENON100
Нижний массив ФЭУ XENON100 содержит 80 ФЭУ, которые расположены максимально близко друг к другу для максимальной эффективности сбора света.

Детектор второй фазы, XENON100, содержит 165 кг жидкого ксенона, из которых 62 кг находятся в целевой области, а оставшийся ксенон — в активном вето. TPC 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 радиоактивность. Проверка проводилась с использованием детекторов из высокочистого германия . В нескольких случаях масс-спектрометрия проводилась на образцах пластика малой массы. При этом была достигнута проектная цель <10−2 событий /кг/день/кэВ [7] , что позволило реализовать детектор темной материи с самым низким в мире фоновым уровнем.

Детектор был установлен в Национальной лаборатории Гран-Сассо в 2008 году в том же щите, что и детектор XENON10, и провел несколько научных запусков. В каждом научном запуске не было обнаружено сигнала темной материи выше ожидаемого фона, что привело к самому строгому ограничению на спин-независимое сечение WIMP-нуклон в 2012 году с минимумом при2,0 × 10 −45  см 2 для65 ГэВ/ c2 масса WIMP . [8] Эти результаты ограничивают интерпретации сигналов в других экспериментах как взаимодействия темной материи и исключают экзотические модели, такие как неупругая темная материя, которые могли бы разрешить это несоответствие. [9] XENON100 также предоставил улучшенные пределы для спин-зависимого сечения WIMP-нуклон. [10] Результат по аксиону был опубликован в 2014 году, [11] установив новый наилучший предел для аксиона.

XENON100 провел самый низкий на тот момент фоновый эксперимент по поиску темной материи с фоном 50 мДРУ (1 мДРУ=10−3 событий /кг/день/кэВ). [12]

XENON1T

Строительство следующего этапа, XENON1T, началось в зале B Национальной лаборатории Гран-Сассо в 2014 году. Детектор содержит 3,2 тонны ультрарадиочистого жидкого ксенона и имеет реперный объем около 2 тонн. Детектор размещен в 10-метровом водном резервуаре, который служит вето мюона. TPC имеет диаметр 1 м и высоту 1 м.

Команда проекта детектора, называемая XENON Collaboration, состоит из 135 исследователей из 22 учреждений из Европы, Ближнего Востока и Соединенных Штатов. [13]

Верхний предел для спин-независимого сечения WIMP-нуклон согласно последним данным (опубликовано в ноябре 2017 г.)

Первые результаты от XENON1T были опубликованы коллаборацией XENON 18 мая 2017 года на основе 34 дней сбора данных с ноября 2016 года по январь 2017 года. Хотя официально не было обнаружено никаких сигналов WIMP или кандидатов на темную материю, команда объявила о рекордно низком снижении фоновых уровней радиоактивности, которые улавливает XENON1T. Пределы исключения превысили предыдущие лучшие пределы, установленные экспериментом LUX , с исключением сечений больше, чем7,7 × 10−47  см 2 для масс WIMP35 ГэВ/ с2 . [14] [15] Поскольку некоторые сигналы, которые получает детектор, могут быть вызваны нейтронами, снижение радиоактивности увеличивает чувствительность к WIMP . [16]

В сентябре 2018 года эксперимент XENON1T опубликовал свои результаты за 278,8 дней сбора данных. Был установлен новый рекордный предел для спин-независимых упругих взаимодействий WIMP-нуклонов с минимальным значением4,1 × 10−47  см 2 при массе WIMP30 ГэВ/ c2 . [ 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 двух 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 поиске процесса двойного электронного захвата без нейтрино , обнаружение которого дало бы представление о природе нейтрино и позволило бы определить его абсолютную массу.

По состоянию на 2019 год эксперимент XENON1T прекратил сбор данных, чтобы обеспечить возможность создания следующей фазы, XENONnT. [19] Детектор XENON1T работал в 2016–2018 годах, его работа была завершена в конце 2018 года. [20]

В июне 2020 года коллаборация XENON1T сообщила об избытке отдач электронов: 285 событий, на 53 больше, чем ожидаемые 232 [21] [22] со статистической значимостью 3,5σ. [23] Были рассмотрены три объяснения: существование на сегодняшний день гипотетических солнечных аксионов , удивительно большой магнитный момент для нейтрино и загрязнение детектора тритием. Позднее другие группы дали несколько других объяснений [24] , а в 2021 году также обсуждалась интерпретация результатов не как частиц темной материи, а как кандидатов на частицы темной энергии, называемых хамелеонами . [25] [26] В июле 2022 года новый анализ XENONnT отбросил избыток. [27] [28]

КСЕНОНнТ

XENONnT — это модернизация эксперимента XENON1T под землей в LNGS. Его системы будут содержать общую массу ксенона более 8 тонн. Помимо более крупной ксеноновой мишени в его камере проекции времени, модернизированный эксперимент будет включать новые компоненты для дальнейшего снижения или маркировки излучения, которое в противном случае составляло бы фон для его измерений. Он разработан для достижения чувствительности (в небольшой части исследуемого диапазона масс), где нейтрино становятся значительным 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. 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 своего поиска WIMPs, [32] исключая сечения выше 28 ГэВ с уровнем достоверности 90%, [33] совместно в тот же день эксперимент LZ также опубликовал свои первые результаты, исключая сечения выше 36 ГэВ с уровнем достоверности 90%. [34] 2.58 × 10 − 47 с м 2 {\displaystyle 2.58\times 10^{-47}см^{2}} 9.2 × 10 − 48 с м 2 {\displaystyle 9,2\times 10^{-48}см^{2}}

Ссылки

  1. ^ Aprile, E.; et al. (Сотрудничество XENON100) (2014). "Наблюдение и применение сигналов одноэлектронного заряда в эксперименте XENON100". Journal of Physics G . 41 (3): 035201. arXiv : 1311.1088 . Bibcode :2014JPhG...41c5201A. doi :10.1088/0954-3899/41/3/035201. S2CID  28681085.
  2. ^ Aprile, E.; et al. (Сотрудничество XENON100) (2012). «Эксперимент с темной материей XENON100». Astroparticle Physics . 35 (9): 573–590 . arXiv : 1107.2155 . Bibcode : 2012APh....35..573X. CiteSeerX 10.1.1.255.9957 . doi : 10.1016/j.astropartphys.2012.01.003. S2CID  53682520. 
  3. ^ Aprile, E.; et al. (2014). «Анализ данных поиска темной материи XENON100». Astroparticle Physics . 54 : 11– 24. arXiv : 1207.3458 . Bibcode : 2014APh....54...11A. doi : 10.1016/j.astropartphys.2013.10.002. S2CID  32866170.
  4. ^ Aprile, E.; et al. (XENON10 Collaboration) (2011). «Проектирование и эффективность эксперимента XENON10». Astroparticle Physics . 34 (9): 679– 698. arXiv : 1001.2834 . Bibcode : 2011APh....34..679A. doi : 10.1016/j.astropartphys.2011.01.006. S2CID  118661045.
  5. ^ Энгл, Дж.; и др. (Сотрудничество с XENON10) (2008). «Первые результаты эксперимента с темной материей XENON10 в Национальной лаборатории Гран-Сассо». Physical Review Letters . 100 (2): 021303. arXiv : 0706.0039 . Bibcode : 2008PhRvL.100b1303A. doi : 10.1103/PhysRevLett.100.021303. PMID  18232850. S2CID  2249288.
  6. ^ Энгл, Дж.; и др. (Сотрудничество XENON10) (2008). «Ограничения спин-зависимых сечений WIMP-нуклонов из эксперимента XENON10». Physical Review Letters . 101 (9): 091301. arXiv : 0805.2939 . Bibcode :2008PhRvL.101i1301A. doi :10.1103/PhysRevLett.101.091301. PMID  18851599. S2CID  38014288.
  7. ^ Aprile, E.; et al. (XENON100 Collaboration) (2011). «Скрининг и выбор материалов для XENON100». Astroparticle Physics . 35 (2): 43– 49. arXiv : 1103.5831 . Bibcode : 2011APh....35...43A. doi : 10.1016/j.astropartphys.2011.06.001. S2CID  119223885.
  8. ^ Aprile, E.; et al. (Сотрудничество с XENON100) (2012). "Результаты исследования темной материи на основе данных за 225 дней наблюдений XENON100". Physical Review Letters . 109 (18): 181301. arXiv : 1207.5988 . Bibcode : 2012PhRvL.109r1301A. doi : 10.1103/physrevlett.109.181301. PMID  23215267. S2CID  428676.
  9. ^ Aprile, E.; et al. (XENON100 Collaboration) (2011). "Выводы о неупругой темной материи из 100 живых дней данных XENON100". Physical Review D . 84 (6): 061101. arXiv : 1104.3121 . Bibcode :2011PhRvD..84f1101A. doi :10.1103/PhysRevD.84.061101. S2CID  118604915.
  10. ^ Aprile, E.; et al. (Сотрудничество XENON100) (2012). «Ограничения спин-зависимых сечений WIMP-нуклонов из 225 живых дней данных XENON100». Physical Review Letters . 111 (2): 021301. arXiv : 1301.6620 . Bibcode :2013PhRvL.111b1301A. doi :10.1103/PhysRevLett.111.021301. PMID  23889382. S2CID  15433829.
  11. ^ Aprile, E.; et al. (Сотрудничество XENON1000) (2014). "Первые результаты аксиона из эксперимента XENON100". Physical Review D. 90 ( 6): 062009. arXiv : 1404.1455 . Bibcode : 2014PhRvD..90f2009A. doi : 10.1103/PhysRevD.90.062009. S2CID  55875111.
  12. ^ Aprile, E.; et al. (XENON100 Collaboration) (2011). "Изучение электромагнитного фона в эксперименте XENON100". Physical Review D. 83 ( 8): 082001. arXiv : 1101.3866 . Bibcode : 2011PhRvD..83h2001A. doi : 10.1103/physrevd.83.082001. S2CID  85451637.
  13. ^ "Домашняя страница XENON1T Dark Matter Search". Сотрудничество XENON . Получено 2017-06-02 .
  14. ^ Aprile, E.; et al. (сотрудничество XENON) (2017). «Первые результаты поиска темной материи в эксперименте XENON1T». Physical Review Letters . 119 (7679): 153– 154. arXiv : 1705.06655 . Bibcode : 2017Natur.551..153G. doi : 10.1038/551153a . PMID  29120431.
  15. ^ «Самый чувствительный в мире детектор темной материи уже запущен и работает». 24 мая 2017 г. Получено 25 мая 2017 г.
  16. ^ "Самый чувствительный в мире детектор темной материи опубликовал первые результаты". UChicago News . 2017-05-18 . Получено 2017-05-29 .
  17. ^ Aprile, E.; et al. (сотрудничество XENON) (2018). "Результаты поиска темной материи при воздействии XENON1T в течение одной тонны в год". Physical Review Letters . 121 (11): 111302. arXiv : 1805.12562 . Bibcode : 2018PhRvL.121k1302A. doi : 10.1103/PhysRevLett.121.111302 . PMID  30265108.
  18. ^ Сухонен, Йоуни (2019). «Детектор темной материи наблюдает экзотический ядерный распад». Nature . 568 (7753): 462– 463. Bibcode :2019Natur.568..462S. doi : 10.1038/d41586-019-01212-8 . PMID  31019322.
  19. ^ ab Moriyama, S. (2019-03-08). "Прямой поиск темной материи с помощью XENONnT. Международный симпозиум "Раскрытие истории Вселенной с помощью подземных исследований частиц и ядер"" (PDF) . Сотрудничество XENON . Получено 2020-11-18 .
  20. ^ ab «Сборка детектора темной материи XENONnT во время COVID-19 » APPEC». 28 июля 2020 г.
  21. ^ Aprile, E.; et al. (2020-06-17). "Наблюдение за избыточными электронными событиями отдачи в XENON1T". Phys. Rev. D. 102 : 2006.09721v1. arXiv : 2006.09721 . doi :10.1103/PhysRevD.102.072004. S2CID  222338600.
  22. ^ Вулховер, Натали (2020-06-17). «Эксперимент с темной материей обнаружил необъяснимый сигнал». Журнал Quanta . Получено 2020-06-18 .
  23. ^ Лин, Тонгян (2020-10-12). «Детектор темной материи подает загадочный сигнал». Physics . 13 : 135. Bibcode :2020PhyOJ..13..135L. doi : 10.1103/Physics.13.135 .
  24. ^ «Волнение растет из-за загадочного сигнала в детекторе темной материи». Physics World . 2020-10-15 . Получено 2020-10-23 .
  25. ^ Санни Вагноцци; Лука Визинелли; Филипп Бракс; Энн-Кристин Дэвис; Джереми Сакштейн (2021). «Прямое обнаружение темной энергии: избыток XENON1T и будущие перспективы». Physical Review D. 104 ( 6): 063023. arXiv : 2103.15834 . Bibcode : 2021PhRvD.104f3023V. doi : 10.1103/PhysRevD.104.063023. S2CID  232417159.
  26. ^ Обнаружили ли мы темную энергию? Ученые Кембриджа говорят, что это возможно, Кембриджский университет, 15 сентября 2021 г.
  27. ^ "Новый эксперимент с темной материей опроверг более ранние намеки на новые частицы". Science News . 2022-07-22 . Получено 2022-08-03 .
  28. ^ Aprile, E.; Abe, K.; Agostini, F.; Maouloud, S. Ahmed; Althueser, L.; Andrieu, B.; Angelino, E.; Angevaare, JR; Antochi, VC; Martin, D. Antón; Arneodo, F. (2022-07-22). "Поиск новой физики в данных об электронной отдаче от XENONnT". Physical Review Letters . 129 (16): 161805. arXiv : 2207.11330 . Bibcode : 2022PhRvL.129p1805A. doi : 10.1103/PhysRevLett.129.161805.
  29. ^ "scanR | Moteur de la Recherche et de l'Innovation" . scanr.enseignementsup-recherche.gouv.fr (на французском языке) . Проверено 30 июня 2020 г.
  30. ^ Московиц, Клара (апрель 2021 г.). «Последний бой темной материи». Scientific American . Получено 13 апреля 2021 г.
  31. ^ Перес, Рикардо. «Эксперимент XENONnT – Детектор и научная программа» (PDF) . cern.ch . Получено 22 марта 2022 г. .
  32. ^ Дэй, Чарльз (28.07.2023). «Поиск WIMP продолжается». Physics . 16 (4): s106. arXiv : 2207.03764 . Bibcode : 2023PhRvL.131d1002A. doi : 10.1103/PhysRevLett.131.041002. PMID  37566836.
  33. ^ Сотрудничество XENON; Aprile, E.; Abe, K.; Agostini, F.; Ahmed Maouloud, S.; Althueser, L.; Andrieu, B.; Angelino, E.; Angevaare, JR; Antochi, VC; Antón Martin, D.; Arneodo, F.; Baudis, L.; Baxter, AL; Bazyk, M. (2023-07-28). "Первый поиск темной материи с использованием ядерных отдач из эксперимента XENONnT". Physical Review Letters . 131 (4): 041003. arXiv : 2303.14729 . Bibcode : 2023PhRvL.131d1003A. doi : 10.1103/PhysRevLett.131.041003. PMID  37566859.
  34. ^ Сотрудничество LUX-ZEPLIN; Aalbers, J.; Akerib, DS; Akerlof, CW; Al Musalhi, AK; Alder, F.; Alqahtani, A.; Alsum, SK; Amarasinghe, CS; Ames, A.; Anderson, TJ; Angelides, N.; Araújo, HM; Armstrong, JE; Arthurs, M. (2023-07-28). "Первые результаты поиска темной материи в эксперименте LUX-ZEPLIN (LZ)". Physical Review Letters . 131 (4): 041002. arXiv : 2207.03764 . Bibcode : 2023PhRvL.131d1002A. doi : 10.1103/PhysRevLett.131.041002. PMID  37566836.

Дальнейшее чтение

  • Энгл, Дж. и др. (2008). «Первые результаты эксперимента с темной материей XENON10 в Национальной лаборатории Гран-Сассо». Physical Review Letters . 100 (2): 021303. arXiv : 0706.0039 . Bibcode :2008PhRvL.100b1303A. doi :10.1103/PhysRevLett.100.021303. PMID  18232850. S2CID  2249288.
  • Эксперимент с ксеноном
  • 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
  • Плоттер предела темной материи с последними результатами XENON и других экспериментов
  • Просвещая тьму, CERN Courier, 27 сентября 2013 г.

42°25′14″с.ш. 13°30′59″в.д. / 42,42056°с.ш. 13,51639°в.д. / 42,42056; 13,51639

Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=XENON&oldid=1243836009"