29 октомври 2020
Категории
  •  Космос
  •  Физика
  •  Науки за земята
  •  Биология
  •  Медицина
  •  Математика
  •  Научни дискусии
  •  Разни
FACEBOOK

Тъмна материя: Загадъчен сигнал "удря" най-чувствителния детектор в света

| ПОСЛЕДНА ПРОМЯНА 18 юни 2020 в 00:01 77780
Когато частица удари атомно ядро, това може да доведе до отделянето на свободни заряди и/или фотони, които могат да произведат сигнал, видим във фотоумножителните тръби, заобикалящи мишената. Детекторът XENON използва тази идея ефектно, превръщайки се в най-чувствителния експеримент за откриване на частици в света.Кредит: NICOLLE R. FULLER / NSF / ICECUBE

Детекторът XENON1T в Италия е проектиран да търси тъмна материя, но също така е чувствителен към много други процеси. И сега той е уловил изненадващ сигнал. 

Приблизително 1400 метра под земята, под италианската планина Гран Сасо, учени от международното сътрудничество XENON са изградили най-чувствителния детектор за тъмна материя в света. От години колаборацията XENON търси всякакви доказателства за загадъчна частица, която надхвърля нашия Стандартен модел, поставяйки множество рекорди за най-строги граници за това, което може (и не може) да бъде тъмната материя.

Наскоро се появи изненадващ сигнал над очаквания фон на неочаквано място: при ниските, а не при високите енергии. Има три възможни обяснения, за които знаем:

  1. може да е неотчетен замърсител, като тритий,
  2. може да се окаже, че неутриното имат изненадващо свойство, различно от това, което прогнозира Стандартният модел,
  3. или най-вълнуващото - може да е първото ни доказателство за специален тип лека тъмна материя, като частица, наподобяваща аксион.

Науката зад този мистериозен сигнал е забележителна, независимо от причината.

Детекторът XENON1T, показан тук, е монтиран под земята в съоръжението LNGS (Laboratori Nazionali del Gran Sasso) в Италия. XENON1T, един от най-успешно екранираните детектори с нисък фон, е проектиран да търси тъмна материя, но също така е чувствителен към много други процеси. Този дизайн сега се отплаща с голямо откритие. XENON1T COLLABORATION

Ако искате да намерите нещо, което е неуловимо, трябва да сте много добър детектив. Не можете просто да изградите детектор, способен да наблюдава събитията, които търсите - трябва да защитите този детектор от всякакви други източници, които евентуално биха могли да създадат замърсяващ сигнал. За да видите нещо смислено, желаният сигнал трябва да се издигне над шума от експеримента и това е трудната част, обяснява астрофизикът Итън Сийгъл.

Излишъкът, наблюдаван в XENON1T в електронния фон при ниски енергии, в сравнение с очакваното ниво от известния фон, обозначен като червена линия. APRILE ET AL. (XENON COLLABORATION), 2020

Колаборацията XENON вече повече от десетилетие работи именно върху това. Техният експеримент се извършва под земята под планина, за да го предпази от космически частици, идващи от космоса и атмосферата. Детекторът има повече от 3 тона ултра чист течен ксенон, който служи като „мишена“ за експеримента. Той е заобиколен от фотоумножители за поемане на сигналите на дори единични заредени частици и има огромен резервоар за вода, който да улавя всякакви свободни мюони. Накратко, това е забележително постижение на инженерството.

Фотоумножителите в края на мишената на експеримента XENON (с предварителната итерация, XENON100, показана тук) са от съществено значение за реконструкцията на събитията и техните енергии, възникнали вътре в детектора. Въпреки че повечето открити събития не се отличават много от фона, наскоро се забеляза необяснимо отклонение, разпалвайки въображението на мнозина. XENON COLLABORATION

Всичко казано, има около 10 28 ксенонови атоми, които служат като възможни цели в рамките на текущата итерация на детектора XENON. (Това е увеличение с повече от 100 пъти от оригиналната версия на експеримента, датираща от 2006 г.) Всеки път, когато частица - независимо от нейния източник - попадне в детектора, има определена вероятност да взаимодейства с един от ксеноновите атоми.

За съжаление, повечето от тези взаимодействия се получават от вече известни частици, включително:

• радиоактивни разпади,
• свободни неутрони,
• космически лъчи,
• мюони,
• и неутрино,

всички те представляват фонов сигнал, който не може да бъде премахнат. С други думи, това е шумът, който присъства. Ако искате да наблюдавате сигнал, той трябва да бъде достатъчно силен, за да бъде видим над този шум.

Сред кандидатите за частици на тъмната материя са WIMP, които могат да отскочат от атомните ядра. Сътрудничеството LZ (съвременен съперник на сътрудничеството на XENON) ще осигури най-добрите граници на WIMP-нуклонните напречни сечения от всички, но може да не е толкова добър в разкриването на кандидати с ниска енергия като XENON. LUX-ZEPLIN (LZ) COLLABORATION / SLAC NATIONAL ACCELERATOR LABORATORY

В момента няма окончателно обяснение на феномена на тъмната материя, а предложените хипотези могат да използват принципно различни явления. Най-популярно сред учените е предположението за тъмната материя като нова форма на вещество, състоящо се от частици. Но в рамките на този подход също има голямо разнообразие от модели, тъй като нито масата, нито другите параметри на тези частици са известни.

През последните години най-популярна е хипотезата за WIMP (WIMP - Weakly Interacting Massive Particle, слабо взаимодействаща масивна частица), чиято маса е сравнима с познатите компоненти на обикновената материя. Но въпреки това интензивното търсене на взаимодействия на такива обекти с атомни ядра в специални детектори, както и опитите за тяхното получаване при сблъсъци в ускорители на частици, не се увенчават с успех, поради което този модел постепенно губи популярност.

Тази ситуация принуждава теоретиците да се обърнат към области от параметри, които не са изследвани досега. Някои учени предлагат идеи за свръхлеките частици, като аксионите или дифузната тъмна материя, докато други, напротив, изследват големи тела, до първични черни дупки с маси на слънцето.

Експерименти като XENON, въпреки че са предназначени основно за търсене на WIMP-подобни частици, всъщност са чувствителни към голямо разнообразие от енергийни обхвати. Въпреки че се очакваше сигнали да се появят най-вече в диапазона на ~ GeV (където 1 GeV съответства на 1 милиард електрон-волта), това, което XENON всъщност видя - според новото съобщение - бе малък, но съществен излишък от събития при само няколко ~ keV енергия: хиляди, а не милиарди, електрон-волта.

Поради това, че детекторът XENON е добре екраниран и добре калибриран, се очакваха само 232 фонови събития от целия експеримент в съответния нискоенергиен диапазон (от 1 до 7 keV). И все пак, когато изследователите разглеждат резултатите си, откриват общо 285 събития: 53 повече от очакваното. Това може да е мъничко количество, но е невероятно значимо. За първи път при толкова високо ниво на сигурност, колаборацията XENON видя нещо, което надхвърля очакваното от Стандартния модел.

Безспорно е, че сътрудничеството на XENON е наблюдавало събития, които не могат да бъдат обяснени само от очаквания фон. Изглежда, че три обяснения отговарят на данните - замърсител като  тритий и леки аксиони (или комбинация от двете) и неутрино. APRILE ET AL. (XENON COLLABORATION), 2020

Независимо от източника, това е невероятно техническо и научно постижение. През годините учените от много експерименти заявяваха, че виждат излишък от частици на тъмната материя при най-различни енергии, а сътрудничеството XENON винаги осигурява проверка на разумността на всички твърдения. Ако тези твърдения са били правилни, трябва да има съответен сигнал в детектора XENON. Въпреки всички твърдения, отправени в медиите, XENON досега е връщал само „нулеви резултати“; никога не е намирал нов сигнал.

Но този път историята е различна. За първи път този детектор разкри излишък от събития над и извън очаквания фон от всички известни източници. Възможно е (но статистически много малко вероятно) това да е просто необичайно случайно колебание, но отклонението е твърде голямо, за да бъде убедително обяснение. Вместо това има три правдоподобни сценария, които биха могли да бъдат причина за това.

Сивата линия показва очаквания фон от Стандартния модел, докато черните точки (отсечки, обозначаващи възможните грешки) показват експерименталните резултати. Червената линия, която включва компонент, дължащ се на замърсители като тритий, може да обясни целият излишък на сигнала. E. APRILE ET AL. (XENON COLLABORATION), 2020

1). Замърсител тритий. Един от проблемите с фона в експеримента XENON възниква от нестабилните космически частици - мюони (по-тежките братовчеди на електроните), които взаимодействат или се разпадат вътре в апарата на XENON. Тези мюони не могат да бъдат избегнати, но могат да бъдат разбрани и извадени чрез изграждане на голям резервоар вода около детектора XENON: нещо, което колаборацията вече е направила.

Водата обаче съдържа водород и водородът има три различни изотопа: с един протон, деутерий (който включва и неутрон) и тритий (който включва два неутрона). Тритият е радиоактивен и само малко количество от него в мишената на XENON или в околните резервоари за вода - съответстващо на само няколко хиляди тритиеви атома - би могло да предизвика цялата аномалия от излишък. Все още няма независим начин за измерване на толкова малко количество тритий, но това е важна (макар и банална) възможност, която трябва да се има предвид.

Последните данни, наблюдавани в детектора на експеримента XENON, показват излишък от събития при ниски енергии, което може да се обясни с неутрино с голям магнитен момент. Други ограничения обаче вече изключват магнитния момент, необходим за обяснение на наблюдавания ефект. E. APRILE ET AL. (XENON COLLABORATION), 2020

2). Неутрино с магнитен момент. Ако поставите неутрино в магнитно поле, то изобщо не трябва да реагира. Според Стандартния модел, неутриното, като незаредени точкови частици, трябва да имат нищожен магнитен диполен момент, с около ~ 20 порядъка по-малък от диполния момент на електрона. Но ако те имаха достатъчно голям магнитен диполен момент - може би милиард пъти по-голям от прогнозите на Стандартния модел - това би могло да обясни излишъка от събития, наблюдавани от XENON.

За съжаление това обяснение вече е опровергано от два независими източника: от експеримента Борексино (Borexino experiment), който постави преки ограничения върху диполния момент на неутрино, и охлаждането както на кълбовидните клъстери, така и на белите звезди-джуджета, които поставят косвени ограничения, които са още по-строги. Освен ако нещо не е наред с тези предишни проучвания, обяснението, включващо неутрино с магнитен момент, не върши работа.

Детекторът XENON1T със своята камера, която може да поддържа много ниски температури с нисък фон е инсталиран в центъра на голям воден щит за защита на инструмента срещу космически лъчи. Тази установка позволява на учените, работещи върху експеримента XENON1T, значително да намалят фоновия шум и с по-голяма сигурност да открият сигналите от процеси, които се опитват да изучават. XENON търси не само тежка тъмна материя, подобна на WIMP, но и други форми на потенциална тъмна материя, включително леки кандидати като тъмни фотони и аксионни частици. XENON1T COLLABORATION

3). Аксиони, произведени на Слънцето. Един от по-вълнуващите варианти за тъмната материя е частица, наречена аксион - много лека частица, получена при прехода, която позволява протони и неутрони да се формират стабилно от море от кварки и глуони. Въпреки че от тук ще произлиза по-голямата част от аксионите - ако съществуват и ако те съставят тъмната материя - има две други места, където може да се произвеждат аксиони - в Големия взрив и във вътрешността на звездите.

Този последен източник включва и нашето Слънце, разбира се. И ако аксионите съществуват и съставят (поне част от) тъмната материя, тези слънчеви аксиони биха могли да пристигнат в детектора  XENON. Те са забележително и правдоподобно обяснение на този сигнал и това може да бъде първият намек за тяхното съществуване. (Експериментът ADMX, който ги търси директно, засега не е открил нищо.) Ако тази загадъчна „аномалия“ в данните на XENON е свързана с тъмната материя, слънчевите аксиони са най-вероятният механизъм за обяснение.

Въпреки голямото разнообразие от предлагани модели на тъмна материя, те не съответстват на сигнала, наблюдаван в детектора XENON. Вместо това, този последен резултат поставя най-строгите ограничения за различни сценарии на тъмната материя, включително леки вектори на бозонна тъмна материя, както е показано тук. В много тясна част от диапазона на масата на възможните частици от тъмната материя звездните ограничения са малко по-високи. E. APRILE ET AL. (XENON COLLABORATION), 2020

Това, което не подлежи на дебат обаче, е идеята, че XENON е видял пряко доказателства за лека тъмна материя: например псевдоскаларна частица или векторна бозонна тъмна материя. Дори и да позволят на масата на кандидат-частицата да варира силно, няма значителен сигнал, който да се е появил на фона на тези модели. Нещо друго - може би тритий, може би неутрино или може би слънчеви аксиони - трябва да са намесени, за да обяснят наблюдавания излишък.

Новите резултати от колаборацията XENON поставят най-строгите ограничения на тези два модела на тъмната материя, надминавайки ограниченията от всички други експерименти, както и астрофизичните наблюдения. Само в един тесен диапазон на маса са звездните граници по-ограничителни. Колаборацията XENON сега директно ограничава многобройните възможности за тъмна материя по-строго от всякога.

Експериментът XENON, разположен под земята в италианската лаборатория LNGS (Laboratori Nazionali del Gran Sasso). Детекторът е инсталиран вътре в голям воден щит. Сградата до него разполага с различни спомагателни подсистеми. Ако успеем да разберем и измерим свойствата на частиците на тъмната материя, може да успеем да създадем условия, които да я принудят да унищожи сама себе си, което да доведе до освобождаването на енергия чрез формулата E=mc^2 на Айнщайн и откриването на перфектно гориво за космически кораби. XENON1T COLLABORATION

Това е забележителен подвиг, който колаборацията XENON постигна, като събра толкова много висококачествени данни в такава защитена среда, триумф за експерименталната физика, независимо от резултатите. Щастлива изненада обаче е, че нещо окончателно причинява излишък от събития в много специфичен нискоенергиен диапазон (от 1 до 7 кеВ) в самия детектор.

Може просто да е тритий във водата - виновник може да са няколко хиляди тритиеви атома в целия апарат. Възможно е и неутриното да има голям магнитен момент, но други наблюдения противоречат на тази интерпретация. Или може да се окаже, че аксионите - специфична частица тъмна материя - произведена от Слънцето, объркват детектора.

Така или иначе, пред нас е нова загадка. Нещо просто се „удари“ в най-чувствителния детекторен експеримент и това може да е първата ни пряка улика относно природата на най-неуловимия източник на маса на Вселената: тъмната материя.

Справка: Observation of Excess Events in the XENON1T Dark Matter Experiment, Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU)

Препринт на тази публикация, отчитащ анализа на данните и подробности за наблюдавания излишък, ще е налична на arxiv.org след следващото им обявяване, а междувременно може и директно да се изтегли тук. Тези резултати са представени за първи път на 17 юни в специален уебинар от аспирант Евън Шокли (Evan Shockley) от Чикагския университет. Слайдовете на тази презентация са достъпни тук.

Източник:

Is It Dark Matter? Mystery Signal Goes 'Bump' In World's Most Sensitive Detector, Starts With A Bang, Ethan Siegel, Forbes


Няма коментари към тази новина !

 
Още от : Физика
Всички текстове и изображения публикувани в OffNews.bg са собственост на "Офф Медия" АД и са под закрила на "Закона за авторското право и сродните им права". Използването и публикуването на част или цялото съдържание на сайта без разрешение на "Офф Медия" АД е забранено.