Коллаборация физиков XENON1T завершила обработку первых данных своего нового сверхчувствительного детектора темной материи. Первый этап сбора продолжался 34 дня и завершился раньше запланированного срока из-за землетрясения в Италии в январе 2017. За это время не удалось засечь ни одного события, связанного с темной материей, однако, благодаря высокой чувствительности детектора, собранных за месяц данных уже оказалось достаточно, чтобы улучшить существующую верхнюю оценку сечения рассеяния частицы темной материи на нуклонах. Препринт статьи опубликован на сайте Arxiv.org.
Концепция темной материи утвердилась в науке в 70-х годах прошлого века. Она появилась как попытка объяснить аномальное движение галактик в галактических скоплениях. Наблюдения показали, что удаленные от центра скопления галактики имеют намного большую скорость, чем предсказывает общая теория относительности и другие теории. Для того, чтобы «подогнать» скорость галактик под предсказания ОТО, ученые добавили во Вселенную новое гипотетическое вещество, которое благодаря своей массе изменяет характер движения галактик. Темной материей оно было названо из-за того, что хотя это вещество и участвует в гравитационном взаимодействии, увидеть его в каком-то доступном для наблюдения диапазоне, от гамма-излучения до радиоволн, не получалось. По оценкам ученых, масса темной материи в наблюдаемой Вселенной приблизительно в 5 раз больше, чем масса «обычного» вещества. Подробнее о возникновении термина «темная материя» можно прочитать тут.
Темная материя состоит из гипотетических частиц, называемых WIMP (Weakly Interacting Massive Particle), которые крайне слабо взаимодействуют с обычным веществом. В 2008 году коллаборация DAMA заявила о сезонном детектировании WIMP. Ученые попытались объяснить свои результаты следующим образом: поскольку Солнечная система движется вокруг центра галактики, а Земля — вокруг Солнца, то в разные времена года Земля движется либо быстрее, либо медленнее своей средней скорости движется относительно центра Млечного Пути. Так, в одном случае мы движемся навстречу «ветру» из WIMP, в другом — в том же направлении. При этом мимо нас за один и тот же промежуток времени пролетает разное количество WIMP. Однако дальнейшие эксперименты не смогли повторить подобных результатов.
В ноябре 2016 года начал свою работу наиболее точный на момент написания статьи детектор темной материи XENON1T. Он является улучшенной версией предыдущего детектора, XENON100, по сравнению с предшественником масса его рабочего вещества увеличилась в 20 раз. Установка расположена на глубине 1400 метров под горой Гран Сассо в Италии. Сам детектор представляет из себя цилиндр, в котором находится приблизительно 3,2 тонны смеси жидкого и газообразного ксенона при температуре −96°С и давлении 1,9 бар. При этом ксенон окружен несколькими слоями из воды и других различных материалов, которые защищают установку от случайных частиц, не являющиеся WIMP.
Детектирование происходит следующим образом: рассеиваясь на атомах ксенона, WIMP должны генерировать фотоны и ионизировать ксенон. Выбитые электроны под воздействием внешнего электрического поля выходят из жидкости в газ, в котором создают сцинтиляционный сигнал. Анализ характеристик сигнала фотонов и электронов позволяет отличать WIMP-события от событий, связанных с распадом изотопа ксенона, присутствующего в малом количестве в установке и других паразитных эффектов.
Во время первого запуска событий, связанных с рассеянием WIMP на нуклонах в установке не зарегистрировано, что позволяет получить верхнюю оценку сечения рассеяния (напомним, сечение рассеяния характеризует вероятность взаимодействия частиц, больше сечение — больше вероятность). При этом ученые получили результат для сечения с степенью уверенности 90%. В дальнейшем коллаборация планирует продолжать сбор и анализ данных, надеясь наконец поймать WIMP.
Александр Чепилко