Подготовлен детектор крупнейшего эксперимента по поиску WIMP

Международная коллаборация XENON закончила работу над новым детектором WIMP — слабовзаимодействующих массивных частиц, кандидатов в частицы темной материи. Устройство установлено на глубине 1400 метров под горой Гран Сассо и представляет собой резервуар, заполненный жидким ксеноном. Исследователи отмечают, что это самый чувствительный на данный момент детектор WIMP. К 2020 году его накопленная чувствительность сможет исключить или обнаружить существование тяжелых частиц темной материи, предсказанных в рамках суперсимметричных моделей. О детекторе рассказывает журнал Symmetry.

Новый детектор получил название XENON1T. Он представляет собой цилиндр, высотой и радиусом в один метр, заполненный 3,5 тоннами жидкого ксенона. Жидкость окружена высокочувствительными фотодетекторами, способными зафиксировать даже единичные фотоны, порожденные внутри устройства. Вне зависимости от того, как WIMP провзаимодействует с ксеноном — выбив его ядро или один из электронов, этот процесс будет сопровождаться ультрафиолетовым излучением и ионизацией. Внутри цилиндра создано сильное электрическое поле, способное направлять высвободившиеся электроны наверх, к крышке камеры, где они порождают вторую вспышку в сцинтилляционном слое.

По разнице во времени между двумя вспышками ученые смогут определить, какие именно взаимодействия произошли в детекторе и собрать статистику проявлений WIMP. По расчетам физиков, за год на каждую тонну ксенона можно ожидать одно такое событие. В том случае, если за первое время детектор не обнаружит проявлений темной материи, у исследователей есть возможность легко поднять его чувствительность, увеличив объем сверхчистого ксенона в камере до 7 тонн. Старт эксперимента назначен на март 2016. 

Важнейшим условием для надежного обнаружения WIMP является отсутствие в камере побочных процессов, таких как взаимодействие с другими частицами извне и радиоактивных распадов внутри детектора. Поэтому помимо 1400 метров горной породы, XENON1T окружен несколькими слоями воды, меди, свинца и других материалов, призванных защитить его от космических частиц. Помешать детектированию могут и примеси кислорода, способные захватывать электроны, а также радиоактивные изотопы криптона, которые чрезвычайно трудно отделить от ксенона. Чтобы избежать этого, инженеры установили в камере специальный фильтр, ежеминутно очищающий 100 литров ксенона 

Предшественники нового детектора, XENON 10 и XENON 100 содержали соответственно 25 и 160 килограмм жидкого ксенона. Самые крупные на сегодняшний день ксеноновые детекторы — LUX (Большой Подземный Ксеноновый детектор, США) и XMASS-I (Япония) — содержат соответственно 370 и 835 килограмм вещества. Ни один из этих детекторов не обнаружил на данный момент статистически значимых сигналов WIMP. 

Чувствительность XENON1T примерно на три порядка выше, чем у его предшественника, XENON 100 и позволяет уверенно «прощупать» большую часть WIMP, предсказанных минимальной суперсимметричной Стандартной моделью, уже через два года работы.  Однако существует ряд предположений, в которых эти частицы лежат вне области чувствительности нового детектора — например, если они еще слабее взаимодействуют с веществом, или же обладают существенно большей (более тысячи ГэВ) массой. Кроме того частицы темной материи могут быть и легкими, до 7 ГэВ, тогда детектор также не сможет их увидеть.

WIMP — одни из главных кандидатов на роль небарионной темной материи. Они представляют собой крайне массивные частицы (как минимум в десятки раз больше массы протона), почти не взаимодействующие с окружающим веществом. Их поиск ведется различными группами ученых, в частности и на Большом Адронном Коллайдере. На данный момент есть лишь одно экспериментальное наблюдение, которое поддерживает гипотезу о существовании WIMP — эксперимент DAMA, стартовавший 17 лет назад в Гран Сассо. DAMA обнаружил сезонные вариации в сигналах детектора, которые ученые объясняют разницей в скорости Земли относительно гало темной материи нашей галактики: в разных точках орбиты наша планета получает либо положительную, либо отрицательную добавку к своей скорости относительно центра Млечного пути.