Jautriausias pasaulyje detektorius ėmėsi tamsiosios materijos: pirmieji rezultatai daugiau nei įspūdingi, o perspektyvos - dar geresnės

Tamsioji medžiaga yra viena iš pagrindinių visatos sudedamųjų dalių, jos penkis kartus daugiau nei įprastos materijos. Jos egzistavimą nurodė ne vienas astronominis matavimas, tad visame pasaulyje itin jautriais detektoriais stengiamasi išvysti tamsiosios materijos dalelių sąveiką su įprasta materija, kas patvirtintų jos egzistavimą ir nušviestų jos savybes. Tačiau šios sąveikos tokios silpnos, kad iki šiol tiesiogiai jų aptikti vis nepavykdavo, ir mokslininkai naudojo vis jautresnius ir jautresnius detektorius. XENON Collaboration, kuri su XENON100 detektoriumi kadaise šioje srityje pirmavo, grįžo į fronto liniją su XENON1T eksperimentu. Pirmojo trumpo, 30 dienų veikimo rezultatai rodo, kad šio detektoriaus radioaktyvumas rekordiški mažas, daug skaičių eilių silpnesnis už jį supančią Žemės medžiagą. XENON1T sveria 3200kg ir tai didžiausias kada nors pagamintas tokio tipo detektorius. Smarkiai padidinto dydžio ir daug žemesnio fono kombinacija reiškia puikų tamsiosios materijos aptikimo potencialą.

XENON Collaboration darbuojasi 135 tyrėjai iš JAV, Vokietijos, Italijos, Šveicarijos, Portugalijos, Prancūzijos, Nyderlandų, Izraelio, Švedijos ir JAE. Naujausias XENON šeimos detektorius veikė LNGS požeminėje laboratorijoje nuo 2016 metų rudens. Apsilankę požeminėje eksperimento vykdymo vietoje, išvystumėte tik gigantišką cilindrinę metalinę talpą, užpildytą itin švariu vandeniu dengiančiu centre esantį detektorių, ir trijų aukštų namo dydžio permatomą statinį, prikimštą detektoriaus veikimą palaikančios įrangos.

Centrinio XENON1T detektoriaus, vadinamosios skysto ksenono laiko projektavimo kameros (LXeTPC), nesimato. Ji yra kriostate vandens talpos viduryje, visiškai panardinta, siekiant kuo labiau apsaugoti nuo natūralaus radioaktyvumo urve. Kriostatas ksenoną atšaldo iki -95°C, nešaldydamas aplinkinio vandens. Virš laboratorijos stūksantis kalnas dar labiau uždengia detektorių, užkirsdamas kelia kosminiams spinduliams. Tačiau vien užtvarų nuo aplinkinio pasaulio negana, mat visose Žemės medžiagose yra natūralaus radioaktyvumo pėdsakų. Tad detektoriaus gamyboje naudotos medžiagos buvo itin kruopščiai ieškomos, renkamos ir apdirbamos, kad būtų pasiektas mažiausias įmanomas radioaktyvumo lygis. Laura Baudis, Züricho universiteto profesorė ir profesorius Manfredas Lindneris iš Max-Planck branduolinės fizikos instituto Heidelberge, pabrėžia, kad taip pavyko pasiekti rekordišką XENON1T „tylumą“, kas yra būtina, norint išgirsti labai silpną tamsiosios materijos balselį.

Dalelių sąveika skystame ksenone sukelia mažus šviesos žybsnius. Būtent tai XENON mokslininkai stebi ir tiria, taip nustatydami sąveikavusios dalelės poziciją ir energiją, o taip pat, ar tai galėtų būti tamsioji materija. Vadovaudamiesi erdvine informacija, mokslininkai pasirenka sąveikas, vykstančias vieną toną sveriančioje detektoriaus centrinėje šerdyje.

Išorinis ksenono sluoksnis apsaugo ksenono taikinį nuo visų medžiagų, jau ir taip turinčių itin mažą liekamąjį radioaktyvumą. Nors mokslinis eksperimentas tebuvo vykdomas 30 dienų, XENON1T jautrumas jau pralenkė visus kitus šios srities eksperimentus, tyrinėjančius tamsiosios materijos teritoriją. „Pirmoje XENON1T paieškoje WIMPai nepasirodė, bet mes ir nesitikėjome jų aptikti taip greitai,“ sako Elena Aprile, Kolumbijos universiteto profesorė ir projekto atstovė. „Geriausia naujiena yra tai, kad eksperimentas ir toliau kaupia nuostabius duomenis, kuriais remdamiesi, jau greitai galėsime patikrinti WIMP hipotezę tokiame masių ir skerspjūvių regione, kuriame tai dar nedaryta. Su XENON1T prasidėjo nauja tamsiosios materijos aptikimo Žemėje ultrasilpno fono didelės masės detektoriais lenktynių fazė. Didžiuojamės būdami priešakinėse šių lenktynių linijose su pirmuoju tokiu detektoriumi.“

Sander Breur
phys.org

Daugiau informacijos: Pirmieji tamsiosios materijos paieškų XENON1T eksperimentu rezultatai. arxiv.org/abs/1705.06655