Исследователи из LUX, которая работает почти в миле под землей на бывшем золотом руднике Блэк-Хиллз в Южной Дакоте, ищут WIMP. Эти слабовзаимодействующие массивные частицы являются одними из ведущих кандидатов на роль темной материи.«Мы значительно продвинулись вперед в области доказательства того, как наши детекторы реагируют на темную материю», — сказал профессор физики Калифорнийского университета в Санта-Барбаре Гарри Нельсон, работавший над LUX с 2010 года. «Мы доказали, что детектор LUX в 20 раз больше. более чувствительны, чем указано в простых первых оценках ".
Последнее исследование, опубликованное в журнале Physical Review Letters, пересматривает данные, собранные в 2013 году в течение первых трех месяцев работы LUX. Его анализ данных помогает исключить возможность обнаружения темной материи в диапазонах малых масс, где другие эксперименты ранее сообщали о потенциальных обнаружениях.Новый метод калибровки, который состоит из пучка нейтронов, установленного рядом с детектором LUX, использует нейтроны в качестве замены для частиц темной материи. Считается, что природа взаимодействия между нейтронами и атомами ксенона очень похожа на взаимодействие между темной материей и ксеноном.
Отражение нейтронов от атомов ксенона позволило ученым количественно оценить, как детектор LUX реагирует на процесс отдачи. Постдокторский исследователь физики UCSB Кармен Кармона-Бенитес помогла возглавить команду, которая выполнила новые калибровки и проанализировала части данных. Она сравнила этот процесс с атомной игрой в пул, где нейтрон играет роль битка, а атомы ксенона — полосы и твердые частицы.«Мы можем отслеживать нейтрон, чтобы определить детали отдачи ксенона и откалибровать отклик LUX лучше, чем это было возможно ранее», — пояснила Кармона-Бенитес. «Этот метод калибрует детектор по сигналу темной материи, который мы ожидаем в конечном итоге увидеть, и это первый раз, когда это было сделано в таком большом масштабе».
Считается, что темная материя является доминирующей формой материи во Вселенной. Ученые уверены в его существовании, потому что эффекты его гравитации можно увидеть во вращении галактик и в том, как свет изгибается при движении по Вселенной.
Поскольку считается, что WIMP взаимодействуют с другими веществами только в очень редких случаях, их еще предстоит обнаружить напрямую.LUX состоит из трети тонны жидкого ксенона, окруженного чувствительными детекторами света. Он предназначен для выявления очень редких случаев, когда частица темной материи сталкивается с атомом ксенона внутри детектора. Когда происходит столкновение, атом ксенона отскакивает и испускает крошечную вспышку света, которая регистрируется датчиками света LUX.
Расположение детектора в подземном исследовательском центре Сэнфорда глубиной в милю помогает защитить его от космических лучей и другого излучения, которое может мешать сигналу темной материи.Усовершенствования LUX в сочетании с передовым компьютерным моделированием в Национальном вычислительном центре энергетических исследований Национальной лаборатории Лоуренса Беркли и Центре вычислений и визуализации Университета Брауна позволили ученым протестировать дополнительные модели частиц темной материи, которые теперь можно исключить из поиска. Последний прогон начался в конце 2014 года и, как ожидается, продлится до июня 2016 года. Этот прогон будет представлять собой увеличение подверженности риску более чем в четыре раза по сравнению с прогоном 2013 года.
Планирование эксперимента с темной материей следующего поколения в Sanford Lab уже ведется. В конце 2016 года LUX будет выведен из эксплуатации, чтобы освободить место для нового, гораздо более крупного ксенонового детектора, известного как эксперимент LUX-ZEPLIN (LZ). По сравнению с одной третью тонны жидкого ксенона LUX, у LZ есть 10-тонная мишень для жидкого ксенона, которая поместится внутри того же резервуара с чистой водой емкостью 72 000 галлонов, используемого LUX.
«Нововведения эксперимента LUX составляют основу эксперимента LZ, в котором планируется повысить чувствительность более чем в 100 раз по сравнению с LUX», — сказал Нельсон, пресс-секретарь LZ. «Эксперимент LZ настолько чувствителен, что должен начать обнаруживать нейтрино, исходящие от Солнца, которые даже в эксперименте Рэя Дэвиса, удостоенного Нобелевской премии в том же месте, не удалось обнаружить».Научное сотрудничество LUX, которое поддерживается Министерством энергетики США и Национальным научным фондом, включает 19 исследовательских университетов и национальных лабораторий в США, Великобритании и Португалии.
Помимо Нельсона и Кармона-Бенитес, команда LUX в UCSB состоит из физика Майкла Уизерелла, старших инженеров-разработчиков Сюзанн Кайр и Дина Уайта, а также аспирантов Скотта Хазельшвардта, Курта Неркорна и Мелиха Солмаза.