Уникальный детектор поможет раскрыть истинную природу темной материи
Темная материя составляет большую часть массы нашей Вселенной, но остается невидимой и загадочной субстанцией — до сих пор ученым не удалось понять, из каких именно частиц она состоит. Детектор LZ, разработанный специалистами Калифорнийского университета в Санта-Барбаре охотится за ней в пещере на глубине почти полутора километров под землей в Южной Дакоте. Новые результаты основаны на анализе данных за 280 дней наблюдений, которые описывают более слабые взаимодействия темной материи, чем когда-либо прежде.
Сердце детектора — два вложенных друг в друга титановых резервуара, заполненных десятью тоннами сверхчистого жидкого ксенона. Эта плотная среда создает изолированное пространство, свободное от «шума» внешнего мира, идеальное для улавливания слабейших сигналов. Ученые надеются зафиксировать момент, когда вимп столкнется с ядром ксенона, заставив его двигаться подобно шару в бильярде после удара.
Ученым удалось добиться уникальной чувствительности LZ благодаря многоуровневой защите от ложных сигналов. Глубоко под землей детектор защищен от космических лучей. Он построен из тысяч сверхчистых компонентов с низким уровнем радиации и имеет структуру, напоминающую луковицу — каждый слой либо блокирует внешнее излучение, либо отслеживает взаимодействия частиц.
Особую проблему представляют нейтроны — субатомные частицы, которые могут имитировать сигнал от вимпов. «Сложность с нейтронами заключается в том, что они тоже взаимодействуют с ядрами ксенона, давая сигнал, идентичный тому, что мы ожидаем от вимпов», — объясняет аспирантка Макайла Траск. Внешний детектор, разработанный командой из Санта-Барбары, отлично распознает нейтроны и помогает отличить настоящий сигнал от ложного.
Чтобы избежать неосознанной предвзятости, ученые применили технику «засаливания» — добавления поддельных сигналов вимпов во время сбора данных. «Мы выходим на территорию, где раньше никто не искал темную материю», — говорит Скотт Хазельшвардт, координатор физических исследований. «Человек по природе своей склонен видеть закономерности в данных, поэтому крайне важно исключить любую предвзятость. Если мы сделаем открытие, нам нужно быть уверенными в его правильности».
Пусть ученым пока что не удалось обнаружить вимпы, новые результаты значительно сужают поле возможностей и помогают ученым лучше сфокусировать поиски. Эксперимент продолжится до 2028 года, и его авторы планируют собрать данные за 1000 дней наблюдений. Параллельно с гипотетическими частицами темной материи детектор может регистрировать другие редкие явления — от солнечных нейтрино до экзотических распадов изотопов ксенона.
Ранее ученые нашли частицу-кандидат на роль темной материи.
