Темная материя на ксенон не ловится

Участники проекта XENON с детектором XENON100. Участники проекта XENON с детектором XENON100.

Важные ограничения на формы существования темной материи получены в рамках эксперимента Xenon100. Участники проекта рассказали «Газете.Ru» о будущих экспериментах, которые все же позволят узнать, чем-таки является темная материя.

Открытие бозона Хиггса, состоявшееся в начале июля, подтверждает справедливость Стандартной модели, но оставляет открытым ряд других вопросов.

«Стандартная модель, например, игнорирует гравитацию и все, что с ней связано, — рассказывал в интервью «Газете.Ru» физик Игорь Голутвин. — Кроме того, в этой теории масса свободных параметров — это величины, которые созданы на кончике пера, они ниоткуда не вытекают. Она не объясняет существования темной материи и темной энергии».

5c34bde7-hwqebbsega12088.jpg Рис. 1. По современным представлениям, на видимую материю приходится около 4% вещества во Вселенной, а все остальное как раз темная материя и темная энергия.

Темная энергия — это неизменная энергетическая плотность, равномерно заполняющая пространство Вселенной. Наличие темной энергии предполагает существование ненулевых давления и энергии в вакууме. Темная материя — это такая форма материи, которая не испускает электромагнитного излучения и не взаимодействует с ним, что делает невозможным прямое ее наблюдение.

Темная материя дает около 22% вклада в общую плотность Вселенной, на темную энергию приходится 74%, на межгалактический газ — 3,6%, а на звезды, планеты и другие более мелкие объекты — всего 0,4%.

Обнаружение темной материи возможно лишь по создаваемым ею гравитационным эффектам, поэтому физики предсказывают существование новых частиц со свойствами, которые делают их идеальными кандидатами на частицы темной материи.

Эти гипотетические частицы называются «вимпы» (с английского WIMP — сокращение фразы Weakly Interacting Massive Particles — слабовзаимодействующие массивные частицы). Прямое обнаружение вимпов позволило бы больше узнать о так называемой Новой физике, которая находится за пределами Стандартной модели, а также подтвердить справедливость современных представлений о существовании темной материи и темной энергии.

В мире проводятся несколько экспериментов по обнаружению вимпов. Один из таких проектов, Xenon, был разработан в 2002 году, и начал свою работу в марте 2006 г.

В последней декаде июля коллаборация этого проекта представила новые данные по поиску вимпов.

Соответствующий эксперимент проводился на приборе Xenon100, расположенном глубоко под землей в Национальной лаборатории Гран-Сассо — одной из четырех лабораторий Национального института ядерной физики (Италия). Эта лаборатория находится в 120 км от Рима, на территории Национального парка Гран-Сассо и Монти-делла-Лага, и является самой большой подземной лабораторией в мире, которая предназначена для проведения экспериментов в области физики элементарных частиц, астрофизики и ядерной физики.

Подземные помещения лаборатории располагаются на средней глубине 1400 м, что позволяет исключить влияние постоянно бомбардирующих Землю космических лучей на результаты экспериментов.

В этой лаборатории, в частности, находится детектор OPERA, который в прошлом году на полгода стал автором громкой научной сенсации, ошибочно зарегистрировав (из-за проблем с синхронизацией часов и неисправного кабеля) нейтрино, движущиеся со скоростью, превышающей скорость света.

xenon1.jpg Рис. 2. Схема эксперимента XENON100. Вимп (WIMP), попадая в прибор, взаимодействует с ядром атома ксенона (Sensitive volume), эти события (первичное – S1 и вторичное – S2) порождают вспышки света, которые регистрируются путем измерения напряжения // Alan Stonebraker.

Прибор Xenon100, в котором в качестве мишени для вимпов используется 62 кг жидкого ультрачистого ксенона, способен измерить крошечный заряд и слабые сигналы, которые, предположительно, должны сопровождать редкие столкновения между вимпами и ядрами атомов ксенона.

Чтобы избежать ложных событий, вызванных остаточной радиацией в окружении детектора, в расчет принимаются лишь события, зафиксированные в 34 кг жидкого ксенона во внутренней части прибора. Кроме того, для повышения точности эксперимента и уменьшения влияния фонового излучения прибор экранирован от внешнего излучения специально разработанной оболочкой из слоев меди, полиэтилена, свинца и воды.

april1.jpg Рис. 3. Елена Эйприле, руководитель проекта XENON // columbia.edu.

В интервью «Газете.Ru» профессор Колумбийского университета Елена Эйприле, которая с 2002 года возглавляет проект Xenon, уточнила, что прибор Xenon100 покрывает большой диапазон масс вимпов от 6 ГэВ до 1000 ГэВ. Наивысшая чувствительность достигается для масс от 50 ГэВ и остается примерно постоянной на протяжении нескольких сотен ГэВ.

Результаты, которые будут опубликованы в журнале Physical Review Letters, были собраны в течение 225 дней измерений. Это наблюдательное время пришлись на примерно 13-месячный период, так как помимо достаточно продолжительного обслуживания устройства были периоды неоптимальной точности измерений и их результаты исключены из окончательного набора данных.

Результат пока разочаровывает охотников за темной материей: никаких доказательств существования вимпов получено не было.

По сравнению с предыдущими данными этого же эксперимента, чувствительность прибора была увеличена в 3,5 раза. Это накладывает дальнейшие ограничения на модели Новой физики и еще больше сужает диапазон параметров кандидатов в вимпы, что должно помочь в последующих поисках этих частиц.

Дальнейшее повышение точности эксперимента либо позволит найти доказательства существования вимпов, либо же обнаружить другие формы существования темной материи.

Для работы в этом направлении планируется использовать как Xenon100, так и новый прибор — Xenon1T, разработка которого ведется в настоящее время.

«В ходе этих двух экспериментов будет исследована абсолютно вся область ожидаемых значений параметров вимпов, — рассказала Эйприле. — Прибор Xenon1T начнет работу в 2015 году».

«Мы начали создание детектора Xenon1T, значительно превосходящего по чувствительности все существующие агрегаты по поиску темной материи, — пояснил «Газете.Ru» один из участников эксперимента Xenon Петр Шагин. — Мы надеемся, что новый детектор не только позволит улучшить ограничение на существование темной материи, но и, возможно, надежно зарегистрировать неуловимые частицы этой загадочной субстанции».

shagin1.jpg Рис. 4. Физик Петр Шагин, активный участник
эксперимента XENON // astroparticlelab.rice.edu.

Команда проекта Xenon состоит из сотрудников 15 американских институтов, а также научных учреждений Франции, Германии, Италии, Нидерландов, Израиля, Португалии, Швейцарии и Китая.

«Эксперимент Xenon100 является международным, но, к сожалению, российские институты не принимают в нем участия. Я активно участвую во многих аспектах данного эксперимента, как сотрудник американского Университета Райса (Хьюстон, США)», — отметил Петр Шагин, уроженец Архангельска, в 1986 году ставший в качестве сотрудника Института физики высоких энергий лауреатом премии Ленинского комсомола «за обнаружение и исследование G (1590) — мезонановой элементарной частицы со свойствами глюбола».

Пожалуйста, оцените статью:
Ваша оценка: None Средняя: 4.8 (11 votes)
Источник(и):

1. gazeta.ru