| | 31 января 2014 | Новости науки и техники
PandaX — самый глубокий эксперимент, направленный на обнаружение частиц темной материи
На глубине 2004 метров ниже уровня моря под толщей гор, находящихся в провинции Сычуань, Китай, команда ученых и инженеров начинают вводить в строй научное оборудование, целью работы которого является непосредственное обнаружение частиц самой загадочной материи во всей Вселенной, частиц темной материи. Спустя непродолжительное время датчики эксперимента PandaX (Particle and Astrophysical Xenon) начнут собирать огромные массивы научной информации в которой ученые будут искать доказательства существования неуловимых частиц, которые являются основой темной материи, на долю которой приходится более 84 процентов от все материи Вселенной.
В свое время ученые-физики выдвинули гипотезу о существовании темной материи для объяснения феномена недостающей массы Вселенной. Этот феномен проявляется в том, что галактики производят более сильные гравитационные силы, нежели можно объяснить с учетом массы их обычной видимой материи. Текущая теория о темной материи заключается в том, что темная материя состоит из массивных частиц, слабо взаимодействующих с обычной материей, так называемых WIMP-частиц (weakly interacting massive particles), которые взаимодействуют с нормальной материей только через силы гравитации и силы слабых взаимодействий, фундаментальных сил, действующих на очень маленьких расстояниях и ответственных за процессы ядерного распада.
Если WIMP-частица сталкивается с ядром атома обычного вещества, то в теории она может вступить с ним во взаимодействие, которое станет причиной излучения фотонов света и потока других частиц, факт наличия которых может послужить доказательством факту столкновения. Но, к сожалению, такие случаи весьма редки, и на имеющихся в настоящее время датчиках регистрируется не больше трех-четырех подобных событий в год.
Выбор места проведения эксперимента PandaX далеко не случаен. Область, где проводятся эксперименты по прямому обнаружению WIMP-частиц, должна быть хорошо защищена от космического излучения и источников других частиц, которые ошибочно могут быть приняты за WIMP-частицы. Новая подземная лаборатория в Китае является самой глубокой лабораторией в мире. Толща горных пород, которые окружают помещение лаборатории, надежно защищает датчики и оборудование не только от космических лучей, но и от других источников излучения на поверхности Земли. Кроме этого, породы, окружающие лабораторию, являются одной из разновидностей мрамора, в составе которого практически отсутствуют радиоактивные элементы, способные стать источником ложных сигналов.
Следует заметить, что эксперимент PandaX является еще одним из нескольких подобных экспериментов, направленных на поиски частиц темной материи, которые работают уже сейчас или которые планируется начать в самое ближайшее время. Ключевым элементом установки эксперимента PandaX является емкость, заполненная ксеноном, охлажденным до жидкого состояния. В настоящее время объем этой емкости способен вместить 1 тонну жидкого ксенона, но для проведения второй фазы эксперимента объем емкости будет увеличен и количество ксенона составит 2.4 тонны.
Если WIMP-частица столкнется с ядром атома ксенона в пределах емкости установки PandaX, это приведет к эмиссии фотонов света, которые будут обнаружены при помощи высокочувствительных датчиков-фотоумножителей. Кроме этого, столкновение станет источником некоторого количества свободных электронов, которые пройдут через жидкий ксенон с определенной скоростью. Сравнивая сигналы от детекторов фотонов и электронов, ученые смогут точно выяснить точку пространства, в которой произошло столкновение, время столкновения и некоторые другие параметры. Поскольку материал стенок емкости сам по себе испускает радиоактивные частицы, то ученые будут принимать в расчет только те события, которые произошли в центральной части резервуара с жидким ксеноном.
Следует заметить, что заявленный объем жидкого ксенона делает эксперимент PandaX не только рекордсменом по глубине проведения, но и по объему рабочей жидкости тоже. Сбор первых данных начнется сразу же по завершению монтажа и тестирования оборудования, а появления первых результатов эксперимента следует ожидать ближе к концу этого года. Если все оборудование и идея, заложенная в эксперименте, будут работать должным образом, то у неуловимых WIMP-частиц останется меньше места, чтобы скрываться от любопытного взгляда ученых.
