| | 1 ноября 2013 | Новости науки и техники
Поиски частиц темной материи с помощью детектора LUX оказались безрезультатны
85 дней поисков частиц загадочной темной материи, которые производились в рамках эксперимента Large Underground Xenon (LUX) с помощью датчика, расположенного на глубине свыше полутора километров ниже поверхности Южной Дакоты, не дали абсолютно никаких результатов. «Пустые» данные проведенного эксперимента, по существу, исключают факт существования частиц темной материи с энергией порядка 8.6 ГэВ, «намеки» на присутствие которых содержались в данных некоторых других экспериментов.
Датчик эксперимента LUX является самым чувствительным на сегодняшний день детектором, способным зарегистрировать неуловимые WIMP-частицы (Weakly Interacting Massive Particle), массивные частицы, слабо взаимодействующие с материей окружающей среды. Этот датчик расположен на глубине 1480 метров под землей в помещениях Стэндфордского подземного исследовательского центра (Sanford Underground Research Facility) в Южной Дакоте.
Собственно датчик представляет собой цилиндр, диаметром 7.6 метра и высотой 6.1 метра, который заполнен очищенной водой, из которой были удалены все ионы. Этот слой воды ограждает датчик от воздействия излучения и радиации, вырабатываемых внешними источниками, радиоактивными веществами, содержащимися в горных породах, и от космического излучения, которое и без того ослаблено почти в миллиард раз толщей горных пород сверху датчика.
Внутри датчика содержится емкость, в которой находится 370 килограмм жидкого ксенона, 118 килограмм из которых находятся в объеме основного сцинтиллятора датчика, в месте, где свет от столкновения атомов ксенона с другими частицами улавливается высокочувствительными фотодатчиками. Оставшаяся часть ксенона служит для организации охлаждения датчика и для дополнительного ограждения объема сцинтиллятора от материала конструкций самого датчика, которые, пусть и немного, но тоже являются радиоактивными.
Активная область датчика имеет диаметр 47 сантиметров и 48 сантиметров в высоту. Когда частицы, включая частицы темной материи, прибывающие извне, сталкиваются с атомами ксенона, эти атомы производят короткую вспышку белого света. Такие события ученые условно назвали событием S1.
Ионизация атомов ксенона может происходить в том случае, когда частица, прибывшая извне, имеет достаточно большую энергию. Для определения случаев ионизации весь внутренний объем датчика находится под воздействием электрического поля, силой 181 В/см. Электроны, высвобожденные в ходе процесса ионизации, движутся вверх под воздействием электрического поля и вырабатывают второй импульс света, событие S2. Измеряя время между событиями S1 и S2, ученые вычисляют расстояние между местами, в которых произошли эти события, а место, в котором произошло событие S1, определяется с помощью анализа сигналов от матрицы из 61 датчика-фотоумножителя.
Достаточно долго ученые производили сбор «холостых» данных, которые обеспечили измерение уровня естественного фона высокоэнергетических частиц под землей. Они определили, что за 85 дней проведения эксперимента датчик может зарегистрировать около 1000 фоновых второстепенных событий, данные от которых не будут иметь надлежащих характерных подписей, что позволит без особых трудов отделить такие события от действительно значимых событий.
В результате всего этого, в течение 85 дней проведения эксперимента было зарегистрировано около 84 миллионов событий. Из этого огромного объема данных методом фильтрации были убраны незначащие события, когда точки S1 и S2 располагались недопустимо близко по времени. В результате из 84 миллионов было оставлено только 6.6 миллионов записей о произошедших событиях. После такой предварительной фильтрации ученые с помощью более жестких методов фильтрации убрали еще массу не очень достоверных данных, что оставило им для анализа около 160 событий, по два события на день эксперимента.
Несмотря на малое количество собранных достоверных данных, его, этого количества, вполне достаточно для того, чтобы исключить факт существования WIMP-частиц с энергией 8.6 ГэВ, которые якобы были замечены в ходе эксперимента CDMS II, проводимого учеными из Беркли. Учитывая площадь эффективного поперечного сечения датчика LUX, этот датчик должен был зарегистрировать около 1550 событий, которые имеют отношение к частицам темной материи, но исследователям так и не удалось обнаружить ни одного такого события. Эти данные полностью противоречат данным эксперимента CDMS II, что позволяет сделать вывод об ошибке, допущенной в ходе выполнения одного из экспериментов, и, учитывая то, что эксперимент LUX позволил получить количество данных, на 2 порядка превышающее количество данных, собранных экспериментом CDMS II, эксперимент CDMS II должен быть признан ошибочным.
Несмотря на отсутствие доказательств существования темной материи в данных эксперимента LUX, этот эксперимент позволит ученым сузить области поиска темной материи. А ученые, работающие в рамках эксперимента LUX, собираются произвести второй, более длительный сбор данных, который позволит им еще точнее убедиться в отсутствии WIMP-частиц с энергией 8.6 ГэВ, частиц материи, слабо взаимодействующих с частицами обычной материи.
