КСЕНОН - Википедия - XENON

Для использования в других целях см. Ксенон (значения).

В КСЕНОН темная материя исследовательский проект, действующий в Итальянский Национальная лаборатория Гран-Сассо, это глубокий подземный исследовательский центр, в котором проводятся все более амбициозные эксперименты, направленные на обнаружение темная материя частицы. Эксперименты направлены на обнаружение частиц в виде слабовзаимодействующие массивные частицы (WIMP), ища редкие взаимодействия через ядерные отдачи в жидкости ксенон целевая камера. Детектор тока состоит из двухфазного камера времени проекции (TPC).

Эксперимент обнаруживает мерцание и ионизация возникает, когда частицы взаимодействуют в объеме жидкого ксенона, для поиска превышения ядерной отдачи над известным фоном. Обнаружение такого сигнала предоставит первое прямое экспериментальное доказательство существования частиц-кандидатов в темную материю. В настоящее время коллаборацией руководит итальянский профессор физики. Елена Априле из Колумбийский университет.

Принцип детектора

Схема принципа работы ксенонового двухфазного датчика температуры

Эксперимент XENON работает в двухфазном режиме. камера времени проекции (TPC), в котором используется мишень из жидкого ксенона с газовой фазой наверху. Два массива фотоумножитель трубки (ФЭУ), одна в верхней части детектора в газовой фазе (GXe) и одна в нижней части жидкого слоя (LXe), обнаруживают мерцание и электролюминесценция свет, возникающий при взаимодействии заряженных частиц в детекторе. Электрические поля применяются как в жидкой, так и в газовой фазе детектора. Электрическое поле в газовой фазе должно быть достаточно большим, чтобы извлекать электроны из жидкой фазы.

Взаимодействие частиц в жидкой мишени производит мерцание и ионизация. Быстрый сцинтилляционный свет производит ультрафиолетовые фотоны с длиной волны 178 нм. Этот сигнал обнаруживается PMT и упоминается как сигнал S1. Этот метод оказался достаточно чувствительным для обнаружения одиночных фотоэлектронов.[1] Приложенное электрическое поле предотвращает рекомбинацию всех электронов, образовавшихся в результате взаимодействия заряженных частиц в TPC. Эти электроны перемещаются к верхней части жидкой фазы электрическим полем. Затем ионизация выводится в газовую фазу за счет более сильного электрического поля в газовой фазе. Электрическое поле ускоряет электроны до такой степени, что создает пропорциональный сцинтилляционный сигнал, который также собирается ФЭУ и называется сигналом S2.

Детектор позволяет полностью определять трехмерное положение.[2] взаимодействия частиц. Электроны в жидком ксеноне имеют равномерную скорость дрейфа. Это позволяет определить глубину взаимодействия события путем измерения временной задержки между сигналами S1 и S2. Положение события в плоскости x-y можно определить, посмотрев на количество фотонов, видимых каждым из отдельных ФЭУ. Полное трехмерное положение позволяет фидуциализация детектора, в котором во внутреннем объеме ТПК определена область низкого фона. Этот реперный объем имеет значительно сниженную частоту фоновых событий по сравнению с областями детектора на краю TPC из-за свойств самозащиты жидкого ксенона. Это обеспечивает более высокую чувствительность при поиске очень редких событий.

Ожидается, что заряженные частицы, проходящие через детектор, будут либо взаимодействовать с электронами атомов ксенона, вызывая электронные отдачи, либо с ядром, вызывая ядерные отдачи. Для заданного количества энергии, выделяемой взаимодействием частиц в детекторе, отношение S2 / S1 может использоваться в качестве параметра дискриминации, чтобы различать электронные и ядерные события отдачи.[3] Ожидается, что это соотношение будет больше для электронных отдач, чем для ядерных. Таким образом фон от электронной отдачи может быть подавлен более чем на 99%, при одновременном сохранении 50% событий ядерной отдачи.

КСЕНОН10

Криостат и экран XENON100. Экран состоит из внешнего слоя из 20 см воды, 20 см слоя свинца, 20 см слоя полиэтилена и внутри 5 см слоя меди.

Эксперимент XENON10 установлен в метро. Лаборатория Гран Сассо в Италия в течение марта 2006 г. Подземное расположение лаборатории обеспечивает 3100 м экранирования в водном эквиваленте. Детектор был помещен в экран, чтобы еще больше снизить уровень фона в TPC. XENON10 был задуман как прототип детектора, чтобы доказать эффективность конструкции XENON, а также проверить достижимый порог, мощность подавления фона и чувствительность. Детектор XENON10 содержал 15 кг жидкого ксенона. Чувствительный объем TPC составляет 20 см в диаметре и 15 см в высоту.[4]

Анализ данных за 59 рабочих дней, проведенный в период с октября 2006 г. по февраль 2007 г., не дал подписей WIMP. Количество событий, наблюдаемых в области поиска WIMP, статистически согласуется с ожидаемым количеством событий от электронного фона отдачи. Этот результат исключил часть доступного пространства параметров в минимальные суперсимметричные модели, устанавливая ограничения на спин-независимые сечения WIMP-нуклонов ниже 10×10−43 см2 для 30 ГэВ /c2 WIMP масса.[5]

Поскольку почти половина природного ксенона имеет нечетные спиновые состояния (129Хе имеет распространенность 26% и спин-1/2; 131Xe имеет содержание 21% и спин-3/2), детекторы XENON также могут использоваться для обеспечения ограничений на спин-зависимые сечения WIMP-нуклонов для связи частицы-кандидата темной материи как с нейтронами, так и с протонами. XENON10 установил самые строгие ограничения в мире на взаимодействие нейтронов.[6]

XENON100

Borrom ФЭУ Массив XENON100
Вершина ГУП Массив XENON100 содержит 98 ФЭУ Hamamatsu R8520-06-A1. ФЭУ на верхней решетке размещены в концентрических кругах для улучшения восстановления радиального положения наблюдаемых событий.
Borrom ФЭУ Массив XENON100
Нижний массив ФЭУ XENON100 содержит 80 ФЭУ, которые расположены как можно ближе друг к другу, чтобы максимизировать эффективность сбора света.

Детектор второй фазы, XENON100, содержит 165 кг жидкого ксенона, из которых 62 кг находятся в целевой области, а оставшийся ксенон находится в активном вето. ТПК детектора имеет диаметр 30 см и высоту 30 см. Поскольку ожидается, что взаимодействие WIMP будет чрезвычайно редким явлением, на этапе строительства и ввода в эксплуатацию XENON100 была начата тщательная кампания по проверке всех частей детектора на радиоактивность. Скрининг проводился с использованием детекторы германия высокой чистоты. В некоторых случаях масс-спектрометрии проводился на образцах пластика малой массы. При этом цель проекта <10−2 событий / кг / сутки / кэВ [7] была достигнута, реализовав самый низкий в мире детектор темной материи с фоновой скоростью.

Детектор был установлен в Национальная лаборатория Гран-Сассо в 2008 году в том же щите, что и детектор XENON10, и провел несколько научных исследований. В каждом научном опыте не наблюдалось сигнала темной материи выше ожидаемого фона, что привело к самому строгому ограничению на спин-независимое сечение WIMP-нуклона в 2012 году с минимумом на 2.0×10−45 см2 для 65 ГэВ /c2 WIMP масса.[8] Эти результаты ограничивают интерпретацию сигналов в других экспериментах как взаимодействия темной материи и исключают экзотические модели, такие как неупругая темная материя, которые разрешили бы это несоответствие.[9] XENON100 также обеспечил улучшенные ограничения на спин-зависимое сечение WIMP-нуклон.[10] An аксион результат опубликован в 2014 г.,[11] установка нового наилучшего предела аксионов.

XENON100 провел эксперимент с самым низким на тот момент фоном для поиска темной материи с фоном 50 mDRU (1 mDRU = 10−3 событий / кг / сутки / кэВ).[12]

XENON1T

Строительство следующей фазы, XENON1T, началось в зале B Национальная лаборатория Гран-Сассо в 2014 году. Детектор содержит 3,2 тонны сверхчистого жидкого ксенона и имеет расчетный объем около 2 тонн. Детектор помещен в резервуар для воды длиной 10 м, который служит мюонным вето. ТПК имеет диаметр 1 м и высоту 1 м.

Команда проекта детекторов, названная XENON Collaboration, состоит из 135 исследователей из 22 учреждений из Европы, Ближнего Востока и США.[13]

Верхний предел для спин-независимого сечения WIMP-нуклон по последним данным (опубликовано в ноябре 2017 г.)

Первые результаты XENON1T были опубликованы коллаборацией XENON 18 мая 2017 года на основе 34 дней сбора данных в период с ноября 2016 года по январь 2017 года. Хотя никаких сигналов WIMP или кандидатов в темную материю официально обнаружено не было, команда объявила рекорд низкое снижение фонового уровня радиоактивности, улавливаемого XENON1T. Пределы исключения превысили предыдущие лучшие пределы, установленные LUX эксперимент, за исключением сечений больше 7.7×10−47 см2 для WIMP масс 35 ГэВ /c2.[14][15] Поскольку некоторые сигналы, которые принимает детектор, могут быть связаны с нейтронами, снижение радиоактивности увеличивает чувствительность к WIMPs.[16]

В сентябре 2018 года эксперимент XENON1T опубликовал результаты сбора данных за 278,8 дней. Был установлен новый рекордный предел для независимого от спина упругого взаимодействия WIMP-нуклон с минимумом 4.1×10−47 см2 при массе WIMP 30 ГэВ /c2.[17]

В апреле 2019 года на основе измерений, проведенных детектором XENON1T, XENON Collaboration сообщила в Природа первое прямое наблюдение двухнейтрино двойной захват электронов в ядрах ксенона-124.[18] Измеренный период полураспада этого процесса, который на несколько порядков превышает возраст Вселенной, демонстрирует возможности детекторов на основе ксенона для поиска редких событий и демонстрирует широкий физический охват еще более крупных экспериментов следующего поколения. Это измерение представляет собой первый шаг в поисках безнейтринный двойной захват электрона процесс, обнаружение которого дало бы ценную информацию о природе нейтрино и позволяют определить его абсолютную массу.

С 2019 года эксперимент XENON1T остановил сбор данных, чтобы можно было построить следующую фазу, XENONnT.[19]

В июне 2020 года коллаборация XENON1T сообщила об избытке отдачи электронов: 285 событий, на 53 больше ожидаемых 232.[20][21] Были рассмотрены три объяснения: существование гипотетической на сегодняшний день солнечной аксионы, удивительно большой магнитный момент на нейтрино и загрязнение детектора тритием. Для выбора среди этих трех данных недостаточно, хотя обновление XENONnT должно обеспечить эту емкость.

В октябре 2020 года физики, работающие над XENON1T, отметили измерение необычного сигнала со статистической значимостью менее 3,5σ.[22] В результате этих данных были выдвинуты три основные гипотезы: частицы, испускаемые Солнцем, бозоны темной материи, ведущие себя независимо от вимпов, или обнаруженные следы радиоактивного загрязнения.[23]

КСЕНОНТ

XENONnT - это усовершенствованная версия эксперимента XENON1T под землей на СПГС. Его системы будут содержать ксенон общей массой более 8 тонн. Помимо более крупной ксеноновой мишени в камере временной проекции, в модернизированном эксперименте будут представлены новые компоненты для дальнейшего снижения или маркировки излучения, которое в противном случае могло бы стать фоном для его измерений. Он разработан для достижения чувствительности (в небольшой части исследуемого диапазона масс), когда нейтрино становятся значительным фоном. По состоянию на 2019 год обновление продолжается, и первые световые эффекты ожидаются в 2020 году.[19][24]

Рекомендации

  1. ^ Aprile, E .; и другие. (Сотрудничество с XENON100) (2014 г.). «Наблюдение и применение одноэлектронных зарядовых сигналов в эксперименте XENON100». Журнал физики G. 41 (3): 035201. arXiv:1311.1088. Bibcode:2014JPhG ... 41c5201A. Дои:10.1088/0954-3899/41/3/035201. S2CID  28681085.
  2. ^ Aprile, E .; и другие. (Сотрудничество с XENON100) (2012 г.). «Эксперимент с темной материей XENON100». Физика астрономических частиц. 35 (9): 573–590. arXiv:1107.2155. Bibcode:2012APh .... 35..573X. CiteSeerX  10.1.1.255.9957. Дои:10.1016 / j.astropartphys.2012.01.003. S2CID  53682520.
  3. ^ Aprile, E .; и другие. (2014). «Анализ данных поиска темной материи XENON100». Физика астрономических частиц. 54: 11–24. arXiv:1207.3458. Bibcode:2014APh .... 54 ... 11A. Дои:10.1016 / j.astropartphys.2013.10.002. S2CID  32866170.
  4. ^ Aprile, E .; и другие. (Сотрудничество XENON10) (2011 г.). «Дизайн и характеристики эксперимента XENON10». Физика астрономических частиц. 34 (9): 679–698. arXiv:1001.2834. Bibcode:2011APh .... 34..679A. Дои:10.1016 / j.astropartphys.2011.01.006. S2CID  118661045.
  5. ^ Угол, Дж .; и другие. (Сотрудничество XENON10) (2008 г.). «Первые результаты эксперимента с темной материей XENON10 в Национальной лаборатории Гран-Сассо». Письма с физическими проверками. 100 (2): 021303. arXiv:0706.0039. Bibcode:2008PhRvL.100b1303A. Дои:10.1103 / PhysRevLett.100.021303. PMID  18232850. S2CID  2249288.
  6. ^ Угол, Дж .; и другие. (Сотрудничество XENON10) (2008 г.). «Пределы спин-зависимых сечений WIMP-нуклонов из эксперимента XENON10». Письма с физическими проверками. 101 (9): 091301. arXiv:0805.2939. Bibcode:2008PhRvL.101i1301A. Дои:10.1103 / PhysRevLett.101.091301. PMID  18851599. S2CID  38014288.
  7. ^ Aprile, E .; и другие. (Сотрудничество с XENON100) (2011 г.). «Проверка и выбор материала для XENON100». Физика астрономических частиц. 35 (2): 43–49. arXiv:1103.5831. Bibcode:2011APh .... 35 ... 43А. Дои:10.1016 / j.astropartphys.2011.06.001. S2CID  119223885.
  8. ^ Aprile, E .; и другие. (Сотрудничество с XENON100) (2012 г.). «Результаты темной материи из 225 дней живых данных XENON100». Письма с физическими проверками. 109 (18): 181301. arXiv:1207.5988. Bibcode:2012ПхРвЛ.109р1301А. Дои:10.1103 / Physrevlett.109.181301. PMID  23215267. S2CID  428676.
  9. ^ Aprile, E .; и другие. (Сотрудничество с XENON100) (2011 г.). «Последствия для неупругой темной материи от 100 дней жизни данных XENON100». Физический обзор D. 84 (6): 061101. arXiv:1104.3121. Bibcode:2011ПхРвД..84ф1101А. Дои:10.1103 / PhysRevD.84.061101. S2CID  118604915.
  10. ^ Aprile, E .; и другие. (Сотрудничество с XENON100) (2012 г.). «Пределы спин-зависимых сечений WIMP-нуклонов из 225 живых дней данных XENON100». Письма с физическими проверками. 111 (2): 021301. arXiv:1301.6620. Bibcode:2013ПхРвЛ.111б1301А. Дои:10.1103 / PhysRevLett.111.021301. PMID  23889382. S2CID  15433829.
  11. ^ Aprile, E .; и другие. (Сотрудничество с XENON1000) (2014 г.). «Первые результаты Axion из эксперимента XENON100». Физический обзор D. 90 (6): 062009. arXiv:1404.1455. Bibcode:2014ПхРвД..90ф2009А. Дои:10.1103 / PhysRevD.90.062009. S2CID  55875111.
  12. ^ Aprile, E .; и другие. (Сотрудничество с XENON100) (2011 г.). «Исследование электромагнитного фона в эксперименте XENON100». Физический обзор D. 83 (8): 082001. arXiv:1101.3866. Bibcode:2011ПхРвД..83х2001А. Дои:10.1103 / Physrevd.83.082001. S2CID  85451637.
  13. ^ "Домашняя страница поиска XENON1T Dark Matter Search". XENON сотрудничество. Получено 2017-06-02.
  14. ^ Aprile, E .; и другие. (Коллаборация XENON) (2017). «Первые результаты поиска темной материи в эксперименте XENON1T». Письма с физическими проверками. 119 (7679): 153–154. arXiv:1705.06655. Bibcode:2017Натура.551..153Г. Дои:10.1038 / 551153a. PMID  29120431.
  15. ^ «Самый чувствительный в мире детектор темной материи запущен и работает». 24 мая 2017 г.. Получено 25 мая, 2017.
  16. ^ «Самый чувствительный в мире детектор темной материи опубликовал первые результаты». Новости UChicago. 2017-05-18. Получено 2017-05-29.
  17. ^ Aprile, E .; и другие. (Коллаборация XENON) (2018). "Результаты поиска темной материи в результате воздействия XENON1T в течение одной тонны года". Письма с физическими проверками. 121 (11): 111302. arXiv:1805.12562. Bibcode:2018ПхРвЛ.121к1302А. Дои:10.1103 / PhysRevLett.121.111302. PMID  30265108.
  18. ^ Сухонен, Йоуни (2019). «Детектор темной материи наблюдает за экзотическим распадом ядра». Природа. 568 (7753): 462–463. Bibcode:2019Натура.568..462С. Дои:10.1038 / d41586-019-01212-8. PMID  31019322.
  19. ^ а б Морияма, С. (2019-03-08). «Прямой поиск темной материи с помощью XENONnT. Международный симпозиум« Раскрытие истории Вселенной с помощью подземных частиц и ядерных исследований »"" (pdf). XENON сотрудничество. Получено 2020-11-18.
  20. ^ Aprile, E .; и другие. (2020-06-17). «Наблюдение избыточных событий электронной отдачи в XENON1T». С. 2006.09721v1. arXiv:2006.09721 [hep-ex ].
  21. ^ Вулховер, Натали (17.06.2020). «Эксперимент с темной материей обнаруживает необъяснимый сигнал». Журнал Quanta. Получено 2020-06-18.
  22. ^ «Волнение нарастает из-за загадочного сигнала в детекторе темной материи». Мир физики. 2020-10-15. Получено 2020-10-23.
  23. ^ Линь, Тонгянь (2020-10-12). "Детектор темной материи выдает загадочный сигнал". Физика. 13.
  24. ^ "scanR | Moteur de la Recherche et de l'Innovation". scanr.enseignementsup-recherche.gouv.fr (На французском). Получено 2020-06-30.

дальнейшее чтение

внешняя ссылка

Координаты: 42 ° 25′14 ″ с.ш. 13 ° 30′59 ″ в.д. / 42,42056 ° с. Ш. 13,51639 ° в. / 42.42056; 13.51639