Объявлены первые результаты эксперимента LUX по поиску частиц тёмной материи

Физики знают, что тёмная материя существует, поскольку не раз наблюдали гравитационные эффекты, вызванные её взаимодействием с обычным веществом. Однако она столь неуловима, что её существование ещё надо доказать.

Среда, 30 октября 2013 года — знаменательный день в истории изучения тёмной материи, самого загадочного и неуловимого вещества во Вселенной. В этот день в Южной Дакоте состоялась конференция, на которой сотрудники проекта LUX ("Большой подземный ксеноновый детектор") объявили о первых результатах своего эксперимента, который длился несколько месяцев.

Детектор LUX является детектором прямого наблюдения за частицами тёмной материи, так называемыми вимпами. Своё название эти гипотетические частицы получили от английской аббревиатуры WIMP — Weakly Interacting Massive Particles, то есть "слабо взаимодействующие массивные частицы".

Теоретики показали, что частицы тёмной материи должны быть "крупными" и участвовать всего в двух видах фундаментальных взаимодействий (слабом). Но теории мало для настоящего описания природы тёмной материи, и потому учёные проводят эксперименты.

Как мы уже упомянули, LUX занимается прямым наблюдением вимпов, в отличие, к примеру, от детектора CDMS ("Криогенный поиск тёмной материи"), который ищет лишь следы присутствия этих частиц. Это значит, что Большой подземный ксеноновый детектор фиксирует случаи взаимодействия частиц тёмной материи с частицами материи обычной. А так как то, что эти два вида вещества действительно взаимодействуют, известно наверняка, учёные не сомневаются, что результаты будут положительными.

Но есть несколько сложностей, которые необходимо учитывать. Вимпы — лишь один из видов гипотетических частиц, из которых может состоять тёмная материя. Физики-теоретики также говорили о том, что она может состоять и из обычных тёмных атомов, а значит, и тёмных электронов, взаимодействующих каким-то образом (явно отличным от обычного электромагнитного взаимодействия) с тёмными фотонами. 

Если это действительно так, то тёмная материя должна состоять из обычного барионного вещества, которое просто обладает непривычными для нас свойствами, но учёные больше склоняются к идее о существовании небарионной тёмной материи.

Небарионная тёмная материя может состоять из множества различных частиц. И тут не последнюю роль играют нейтрино: тяжёлые виды этих неуловимых, но вездесущих частиц могут составлять крупную часть холодной тёмной материи.

Помимо вимпов, тяжёлых нейтрино и тёмных атомов, физики говорили об аксионах, которые также являются гипотетическими частицами, и космионах. Впрочем, последних не так давно исключили из кандидатов на роль частиц тёмной материи.

Детектор LUX сосредоточен именно на вимпах, и в своём роде он лучший. Наученные опытом прошлых лет, когда физики постоянно объявляли об обнаружении частиц тёмной материи, а потом это оказывалось фоновым явлением, сотрудники проекта приложили немало усилий, чтобы сделать LUX самым чувствительным в мире детектором и исключить вероятность "открытия" столкновений обычных частиц. 

Более сотни специалистов из 17 научных институтов и университетов по всему миру на протяжении трёх месяцев, а точнее, 85 дней неустанно следили за работой ксенонового детектора. О вимпах до сих пор известно очень немного, загадкой остаётся даже их приблизительная масса. Но учёные воспользовались результатами экспериментов своих предшественников, чтобы точно понимать, с чем они имеют дело.

Как сообщается в пресс-релизе, детектор LUX обладает пиком чувствительности для вимпов массой в 33 гигаэлектронвольта (ГэВ), и это втрое точнее, чем самый точный из предшествующих экспериментальных детекторов тёмной материи. Также LUX обладает в 20 раз большей, чем у других приборов, чувствительностью к вимпам малой массы, существование которых было предсказано сотрудниками аналогичных предыдущих экспериментов.

Уже упомянутый нами проект CDSM как раз заявил о том, что вимпы могут обладать массой 8,6 ГэВ, что значительно меньше, чем предполагали теоретики. В апреле 2013 года было объявлено о трёх случаях обнаружения следов таких частиц. К этому событию физики отнеслись с особым вниманием — одной из целей всего эксперимента было подтвердить или опровергнуть существование вимпов малой массы. Но об этом чуть позже.

Во избежание попадания в детектор космических лучей и других частиц материи, прибор поместили на 4850 метров под землю, куда лишь немногие частицы, кроме вимпов, конечно же, могут проникнуть. LUX располагается в стерильном помещении в большом резервуаре с чистой водой.

"Это значительно упрощает наблюдение за столкновениями вимпов с ядрами ксенона", — говорит Рик Гайтскелл (Rick Gaitskell), физик из университета Брауна, сотрудник проекта и один из ведущих прошедшего семинара.

Сам детектор представляет собой 1,82-метровый титановый бак, наполненный более чем 300 килограммами жидкого ксенона, охлаждённого до -65 градусов по Цельсию. Принцип работы устройства относительно прост: когда вимп попадает в детектор, то сталкивается с атомом ксенона, который отскакивает от соседних атомов и испускает фотоны и электроны. Электроны отправляются электрическим полем вверх, и начинают взаимодействовать с тонким слоем ксенонового газа на поверхности чана, испуская всё больше фотонов. 

Детекторы света, расположенные сверху и снизу от чана, способны зафиксировать выход даже единичного фотона, поэтому местоположение двухфотонных сигналов (один появится у поверхности, а другой — в точке столкновения), можно определить с точностью до нескольких миллиметров. А по интенсивности сигнала можно вычислить энергию взаимодействия. 

LUX был установлен в лаборатории летом 2012 года. В феврале 2013 года титановый чан заполнили жидким ксеноном, а непрерывная работа по прямому наблюдению стартовала в августе и не прекращалась до октября. За 85 дней проведения эксперимента было зафиксировано 160 случаев предположительного попадания вимпов в детектор, то есть чуть менее 1,9 событий в день.

Масса частиц тёмной материи, согласно вычислениям физиков, должна составлять около 33 гигаэлектронвольт. Именно о таких частицах и отчитались сотрудники эксперимента.

Но помимо взаимодействия тяжёлых вимпов с ядрами ксенона, учёные также зафиксировали 1550 возможных случаев попадания в детектор вимпов малой массы, о которых говорили сотрудники проекта "Криогенный поиск тёмной материи". В правдоподобности того, что "лёгкие" вимпы действительно существуют, физики выражают большие сомнения, поскольку их наличие попросту не вписывается в расчёты.

Планирование следующего этапа эксперимента, который будет проходить в течение следующих двух лет (с 2014 по 2016 год) уже идёт полным ходом. Сотрудники проекта понимают, что главное преимущество детектора LUX состоит в его больших размерах и потому, чтобы ещё повысить точность наблюдений, следующий прибор сделают значительно больше. 

Новый детектор будет представлять собой титановый чан, наполненный 7 тоннами жидкого ксенона и помещённый в 72000-литровый бассейн с чистейшей водой. В эксперименте, который будет называться LUX-ZEPLIN, примет участия и команда проекта LUX, и новые сотрудники из других научных центров.

Подробную статью о первичных результатах эксперимента по поиску частиц тёмной материи можно найти на сайте проекта.

Обновление от 21.02.2014:

Позднее была проведена калибровка Большого подземного ксенонового детектора, за счёт чего его чувствительность увеличилась в 10 раз по сравнению с предыдущими показателями. Новые результаты окончательно убедили учёных в том, что вимпы малой массы, то есть менее 30 гигаэлектронвольт, не проявились за первые 90 дней работы детектора (с августа по октябрь 2013 года).

"Новая калибровка детектора увеличила его чувствительность. Этого было достаточно для получения достоверных результатов. Они показывают, что никаких частиц тёмной материи малой массы обнаружено не было, а также демонстрируют высокую точность LUX", — заявил Рик Гайтскелл.

Новый этап поиска вимпов, гипотетических частиц тёмной материи, начнётся в конце 2014 года и продлится ещё один год (по сравнению с тремя месяцами первичных наблюдений). Физики не теряют надежду обнаружить частицы загадочного вещества, из которого состоит почти треть Вселенной.

Также по теме:
Мир замер в ожидании больших новостей о тёмной материи
Стартовал пятилетний проект по наблюдению за тёмной энергией 
В Миннесоте обнаружены следы тёмной материи
Детектор из золота и ДНК поможет доказать существование тёмной материи
Учёные CERN зафиксировали следы тёмной материи в космосе