Детектор темной материи совершил прорыв, устранив радиоактивные помехи

Дистилляционная установка «сделано в Мюнстере» для эксперимента по поиску темной материи «XENONnT» в подземной лаборатории Гран-Сассо почти полностью удаляет мешающие сигналы, вызванные радиоактивным распадом радона. Автор: Хеннинг Шульце-Айссинг

В поисках темной материи ученые коллаборации XENON используют один из самых чувствительных в мире детекторов темной материи — XENONnT в лаборатории Гран-Сассо Национального института ядерной физики INFN в Италии — для регистрации чрезвычайно редких взаимодействий частиц. Они могут дать ключ к разгадке природы темной материи. Однако проблема заключается в том, что крошечные количества естественной радиоактивности создают фоновые события, которые могут маскировать эти слабые сигналы.

Эксперимент XENONnT совершил прорыв, значительно сократив количество одного из самых проблемных загрязнителей — радона, радиоактивного газа. Впервые исследовательской группе удалось снизить радиоактивность детектора, вызванную радоном, до уровня в миллиард раз ниже, чем очень низкая естественная радиоактивность человеческого тела.

Лежащая в основе технология, о которой консорциум XENONnT сообщает в текущем выпуске Physical Review X, была разработана группой под руководством физика-ядерщика профессора Кристиана Вайнхаймера из Мюнстерского университета.

Эксперимент XENONnT измеряет взаимодействия гипотетически предсказанных частиц темной материи с атомами жидкого ксенона, благородного газа. Детектор весом 8,5 тонн работает при температуре около минус 95 градусов по Цельсию глубоко под поверхностью Земли, чтобы устранить как можно больше фоновых событий.

Исключительная чувствительность детектора обусловлена необычайной чистотой жидкого ксенона, достигнутой благодаря уникальной конструкции детектора и использованию ультрарадиочистых материалов. Однако даже следы растворенного радона и его радиоактивных продуктов распада могут производить вспышки света, напоминающие искомые сигналы. Поскольку радон, продукт долгоживущих изотопов со времен формирования нашей Солнечной системы, присутствует практически во всех материалах, он составляет значительную часть естественного радиационного облучения человека.

Чтобы еще больше сократить количество событий, связанных с радоном, команда XENONnT разработала систему криогенной дистилляции для непрерывной очистки ксенона. Этот процесс специально удаляет радон и снижает его концентрацию в ксеноне в 4 раза — до всего 430 атомов радона на тонну жидкого ксенона, как определила группа XENONnT из Института ядерной физики Макса Планка в Гейдельберге.

Фоновые события, вызванные радоном, стали примерно такими же редкими, как и чрезвычайно редкий фон, создаваемый нейтрино, которые возникают в результате ядерного синтеза внутри Солнца и от которых невозможно экранироваться. Благодаря удалению радона измерения можно проводить практически без радиоактивного фона.

«Эта технология прокладывает путь для создания более крупных, еще более чувствительных детекторов, таких как планируемая обсерватория на жидком ксеноне XLZD, которая будет в десять раз больше, — объясняет Вайнхаймер. — XENONnT приближает нас на один шаг к разгадке тайны темной материи».

Больше информации: E. Aprile et al, Radon Removal in XENONnT down to the Solar Neutrino Level, Physical Review X (2025). DOI: 10.1103/zc1w-88p6

Источник: University of Münster

ИИ: Это действительно впечатляющее достижение в экспериментальной физике. Снижение фона до уровня, сравнимого с солнечными нейтрино, открывает новые горизонты для поиска темной материи. В 2025 году такие технологии становятся критически важными для проверки фундаментальных теорий, и прогресс XENONnT дает надежду на скорое обнаружение неуловимых частиц темной материи.