Суббота, 13 апреля, 2024

16+

Эксперимент LZ: зачем ученым лаборатория в заброшенной шахте?

Время на чтение 8 мин.

Ее нельзя увидеть, нельзя пощупать. Но если она рядом, все вокруг к ней притягивается… Звучит мистически, не так ли? Физики тоже решили, что темная материя — достаточно «потусторонняя» субстанция, и выбрали 31 октября в качестве Дня темной материи. Ученые до сих пор не знают, что это такое, но уверены, что она не только существует, но и оказывает существенное влияние на крупномасштабную структуру Вселенной. Эксперимент LZ — попытка наконец обнаружить частицы загадочного вещества.

Материя — предмет темный

Большую роль в науке играют теоретические предсказания. Разумеется, ученые не разглядывают кофейную гущу, а строят предположения, исходя из многократно проверенных теорий и законов. Затем эти предположения проверяются на практике. Бывает и другой путь: результаты наблюдений или экспериментов расходятся с теоретическими предсказаниями. Тут уж два варианта: либо законы не работают, либо мы чего-то не знаем.

В 1933 году американский астроном швейцарского происхождения Фриц Цвикки опубликовал работу (pdf), в которой описал результаты исследования галактического скопления Кома в созвездии Волосы Вероники. Исходя из большого разброса радиальных скоростей входящих в скопление восьми галактик, ученый заключил, что для его устойчивости масса Комы должна быть примерно в 400 раз больше, чем масса всех входящих в него звезд. Коллега Цвикки Синклер Смит в 1936 году исследовал скопление Девы и пришел к выводу, что его масса примерно в два раза больше, чем установленная ранее Эдвином Хабблом. Однако и Цвикки, и Смит, и их коллеги полагали, что невидимая масса — это некие объекты из обычной материи, но слишком тусклые и недоступные наблюдениям.

Эксперимент LZ: зачем ученым лаборатория в заброшенной шахте?
Скопление Кома в ультрафиолетовом и видимом диапазонах. Снимок получен путем компиляции данных Слоановского цифрового небесного обзора и орбитальной обсерватории «Спитцер». Изображение: spitzer.caltech.edu

Достижения радиоастрономии

Во второй половине ХХ века ученым стала доступна радиоастрономия, которая позволила увидеть многое из того, что было скрыто. Так, в 1957 году Ян Оорт и его студент Хенрик ван де Хюлст на основании данных о радиолинии нейтрального водорода — важнейшем показателе для радиоастрономии, дающем информацию о распределении и движении облаков нейтрального водорода, — обнаружили, что  источник радиоизлучения в Туманности Андромеды простирается на 30 килопарсек дальше, чем ее видимый диск.

Соотношение масса / светимость в центральной, видимой, области Туманности Андромеды составляет 2, в то время как во внешней — 20. Это значит, что во внешней области присутствует много вещества, которое оказывает гравитационное воздействие, но ничего не излучает.

В 1970 году австралийский астроном Кен Фримен заключил, что если данные верны, то в галактиках должна присутствовать материя, которую невозможно увидеть ни в оптическом, ни в радиодиапазоне, но которая при этом обладает массой и оказывает гравитационное влияние.

Дело ясное, что дело темное

В дальнейшем астрономы провели еще массу исследований и окончательно убедились в том, что во Вселенной, помимо привычной нам материи, существует некое вещество, которое так и назвали — темная материя. Она не участвует ни в сильном, ни в электромагнитном взаимодействии, поэтому недоступна для прямых наблюдений. Мы знаем о ее существовании только по гравитационному воздействию, которое она оказывает на видимую материю. Более того, ученые подсчитали, что на темную материю приходится порядка 23–25 % массы Вселенной (тогда как на видимую — не более 5 %, остальное не менее загадочная темная энергия).

Эксперимент LZ: зачем ученым лаборатория в заброшенной шахте?
Самая детальная карта распределения темной материи, созданная международной коллаборацией Dark Energy Survey. Яркие участки соответствуют максимальному количеству темной материи, черные — войдам, огромным почти пустым пространствам. Изображение: Dark Energy Survey

О природе темной материи высказано множество гипотез. Изначально на эту роль выдвигались частицы обычной материи, некие еще не открытые виды нейтрино, гипотетические аксионы и суперсимметричные частицы. Последние рассматриваются как наиболее вероятные кандидаты.

В 1985 году в статье Гарри Штайгмана и Майкла Тернера был предложен термин вимп (WIMP — weakly interacting massive particles) для названия частиц темной материи. Также «вимп» переводится с английского как «слабак». Эти частицы участвуют только в слабом и гравитационном взаимодействиях, а их масса должна быть в несколько десятков раз больше массы протона.

Найти слабака

Предполагается, что вимпы возникли вскоре после Большого Взрыва и существуют до сих пор. Из-за того, что они не взаимодействуют с обычной материей, обнаружить их очень сложно. Но не невозможно. Иногда вимпы могут сталкиваться с ядрами атомов — и результат этого столкновения можно зафиксировать. Эксперименты по обнаружению частиц темной материи проводятся с конца 2000-х годов, но пока ни один из них не дал убедительного результата, хотя было зарегистрировано несколько событий — кандидатов на столкновение вимпов с атомными ядрами. Новые детектор LUX-ZELPIN (LZ) обладает в 50 раз больше чувствительностью, чем другие, так что на него возлагают большие надежды.

Эксперимент LZ: зачем ученым лаборатория в заброшенной шахте?
Схема детектора LZ. Изображение: lz.lbl.gov

В эксперименте используется сверхчувствительный детектор, изготовленный из 10 тонн жидкого ксенона. Это один из трех подобных проектов, наряду с XENONnT и PANDAX-4T, цель которых — прямое обнаружение вимпов с энергией выше 10 гигаэлектрон-вольт на секунду в квадрате.

Для детектирования вимпов важно, чтобы детектор был максимально защищен от любого излучения, включая фоновое. Поэтому его разместили в Сэнфордской лаборатории — подземном научном комплексе в Южной Дакоте, находящемся в бывшей шахте для добычи золота. Это самая глубокая научная лаборатория в США, защищенная от внешнего воздействия слоем скальных пород, где проводятся сразу несколько научных экспериментов с очень чувствительными детекторами.

Эксперимент LZ: зачем ученым лаборатория в заброшенной шахте?
Административный корпус и надземное оборудование шахты в Сэнфордском комплексе. Фото: lz.lbl.gov

Вимп или не вимп?

Чтобы точно идентифицировать рассеяние вследствие столкновения вимпов и ядер, детектор LZ должен фиксировать очень небольшие вспышки энергии в своем активном объеме. Также он должен отличать эффекты вимпов от других взаимодействий, вызванных известными частицами.

Для выполнения этих целей внутренний детектор состоит из двухфазной ксеноновой камеры. Во-первых, он идентифицирует и не реагирует на фоновые взаимодействия, происходящие на периферии детектора — они, скорее всего, вызваны внешними гамма-лучами или нейтронами, а также радиоактивными распадами следовых радионуклидов в компонентах детектора. Относительно большая плотность жидкого ксенона позволяет детектору так сказать «самоэкранироваться»: фоновое излучение, попадающее в установке, может пройти лишь несколько сантиметров, прежде чем рассеяться и остановиться. В результате внутренний объем детектора практически свободен от фоновых частиц.  Это делает его очень чувствительным к наблюдению рассеяния вимпов.

Эксперимент LZ: зачем ученым лаборатория в заброшенной шахте?
Резервуар для детектора. Фото: lz.lbl.gov

Детектор расположен внутри нескольких слоев активной и пассивной защиты для снижения интенсивности воздействия внешних гамма-лучей и нейтронов. Он расположен в двух криостатах, которые, в свою очередь, находятся в резервуарах, заполненных сцинтиллятором — жидким алкилбензол и гадолинием для более эффективного захвата нейтронов. Если гамма-лучи или нейтроны рассеиваются внутри детектора, а затем выходят, они, скорее всего, также передадут энергию в сцинтиллятор. Эти выбросы энергии сопровождаются излучением фотонов, которые регистрируются фотоумножительными трубками, расположенными снаружи резервуаров. Наблюдая такой сигнал и сравнивая его с данными детектора, можно отфильтровать те события, которые могли бы выглядеть как столкновения с вимпами. Это особенно важно для нейтронов, которые могут проникать дальше, чем гамма-лучи, и которые рассеиваются на ядре ксенона так же, как и вимпы.

Эксперимент LZ: зачем ученым лаборатория в заброшенной шахте?
Фотоумножительные трубки. Фото: lz.lbl.gov

В июле 2022 года команда LZ опубликовала первые научные данные, которые спустя год вышли в статье в Physical Revie Letters. Пока никаких следов вимпов не обнаружено, но эксперимент рассчитан на три года. В конце концов, отрицательный результат — это тоже результат, ведь вимпы — лишь одно из возможных объяснений природы темной материи. И если ученые отбросят его, то смогут сосредоточиться на других теориях.

Оставьте ответ

Пожалуйста, введите свой комментарий!
Пожалуйста, введите ваше имя здесь