Первый научный эксперимент LZ устанавливает новые ограничения на взаимодействие темной материи
Детектор LZ представляет собой набор из трех вложенных друг в друга детекторов, предназначенных для определения наименьшего количества энергии, выделяемой радиоактивными материалами или темной материей. Здесь можно увидеть внешний детектор LZ, который находится на поверхности кожи, и 10 тонн жидкого ксенона в LZ TPC. Автор: LZ Collaboration.
Эксперимент LUX ZEPLIN (LZ) по изучению темной материи - это масштабное исследовательское мероприятие, в котором принимают участие более 200 ученых и инженеров из 40 учреждений по всему миру. Его основная цель - поиск слабо взаимодействующих массивных частиц (WIMP) путем анализа данных, собранных детектором LZ, расположенным в подземном исследовательском центре Сэнфорда в Южной Дакоте.
Коллаборация LZ недавно опубликовала результаты первого экспериментального запуска эксперимента LZ по изучению темной материи. Эти результаты, опубликованные в журнале Physical Review Letters, устанавливают новые ограничения на взаимодействия между темной материей и другими частицами, которые могут послужить основой для будущих поисков слабо взаимодействующих кандидатов в темную материю.
Тёмная материя в астрономии и космологии, а также в теоретической физике — гипотетическая форма материи, которая не испускает электромагнитного излучения и напрямую не взаимодействует с ним. Это свойство данной формы вещества затрудняет и, возможно, даже делает невозможным её прямое наблюдение.
Вывод о существовании тёмной материи сделан на основании многочисленных, согласующихся друг с другом, но косвенных признаков поведения астрофизических объектов и по создаваемым ими гравитационным эффектам. Выяснение природы тёмной материи поможет решить проблему скрытой массы, которая, в частности, заключается в аномально высокой скорости вращения внешних областей галактик. Википедия
"Существует пять очень хорошо мотивированных взаимодействий, которые мы протестировали в этой работе. Например, данные об одном из этих взаимодействий могут указывать на то, что WIMP состоит из множества заряженных частиц, а не из одной частицы".
Детектор LZ содержит 7 тонн жидкого ксенона, плотной жидкой фазы благородного газа, содержащегося в атмосфере Земли. Когда частица взаимодействует с жидким ксеноном, происходит вспышка света - явление, которое команда использовала для поиска слабо взаимодействующей темной материи.
"Несмотря на то, что это очень чистый поиск редких событий, когда в детекторе регистрируется всего несколько событий в день, что делает это место наиболее радиоактивно чистым с точки зрения ядерных выбросов, мы все еще ищем то, чего ожидаем всего несколько раз в год", - сказал Майкл Уильямс, соавтор исследования.- автор статьи. "Мы используем статистический анализ, чтобы выделить взаимодействия темной материи из этих обычных взаимодействий с материей".
Предел прочности пары при взаимодействии WIMP-нуклонов как функции массы WIMP на уровне 90% доверительной вероятности (черная линия). Результаты, полученные с помощью PandaX-II (синий), показаны для справки. Мы можем считать, что «d» - это сила этого конкретного типа взаимодействия. Автор: LZ Collaboration
Коллаборация LZ анализирует сигнатуры, собранные детектором LZ в подземном исследовательском центре Сэнфорда, с целью различения сигнатур, возникающих в результате того, что что-то отскакивает от ядра, и сигнатур, связанных с частицей, выбивающей электрон из атома ксенона. Разница между этими двумя типами сигнатур незначительна, но их детектор предназначен для ее обнаружения.
"Хотя наш первый поиск не привел к обнаружению сигналов темной материи, он имеет ограниченные свойства темной материи, что, в свою очередь, позволяет уточнить теории темной материи", - сказал Уильямс. "Многие из сигналов, которые мы искали в этой работе, ранее не были обнаружены".
Результаты первого научного эксперимента LZ вскоре также могут помочь усовершенствовать теории о темной материи. В частности, это может позволить физикам-теоретикам лучше моделировать поведение темной материи, в том числе WIMP.
"С точки зрения детектора, мы значительно улучшили наше понимание работы детектора, перейдя к более высоким энергиям", - объяснил Эриксен. «Это открыло возможность обнаружения новых типов взаимодействий темной материи».
В течение следующих нескольких лет детектор LZ продолжит сбор данных, которые затем будут проанализированы в рамках совместной работы. Эти дополнительные данные могут позволить команде установить дополнительные ограничения на взаимодействие с WIMP, что потенциально может способствовать будущему обнаружению сигнатур, связанных с этими неуловимыми частицами.
"Теперь мы гораздо более чувствительны к любому взаимодействию с темной материей, поскольку у нас есть больше событий для анализа и проведения статистических измерений", - добавил Эриксен.
"Мы продолжим поиск намеков на эти взаимодействия в наборе данных и надеемся найти доказательства в ближайшем будущем. Мы либо сделаем революционное открытие в течение следующих нескольких лет, либо исключим новые типы темной материи, еще больше закрывая сеть".
Дополнительная информация: J. Олберс и др., Ограничения на ковариантные взаимодействия темной материи и нуклонной теории эффективного поля из первого научного запуска эксперимента ЛЮКС-ЦЕПЛИН, Physical Review Letters (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.221801.
0 комментариев