Қара материяны зерттеу жобасы: XENON эксперименті Италиядағы Gran Sasso зертханасында өтіп, әлемдегі ең сезімтал детекторлардың бірі болып табылады. WIMP бөлшектерін анықтауға бағытталған.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Қара материяны зерттеу жобасы
Dark matter research project
Италияның Гран-Сассо ұлттық зертханасында орналасқан XENON қара материяны зерттеу жобасы – қара материяның гипотетикалық бөлшектерін анықтауға бағытталған, күшті әрі күрделі эксперименттерді қамтитын терең жер асты детектор кешені. Эксперименттердің мақсаты – сұйық ксенон камерасында сирек болатын ядролық кері секіру әрекеттесулерін іздеу арқылы әлсіз өзара әрекеттесетін массивті бөлшектер (WIMP) түріндегі бөлшектерді анықтау. Ағымдағы детектор екі фазалы уақыт проекция камерасынан (TPC) тұрады. Тәжірибе сұйық ксенон көлемінде сыртқы бөлшектердің өзара әрекеттесуінен туындайтын сцинтилляция және иондану сигналдарын тіркеп, белгілі фондық шуылға қарсы ядролық кері секіру оқиғаларының көптігін анықтауға тырысады. Мұндай сигналды анықтау қара материяға үміткер бөлшектердің алғашқы тікелей эксперименттік дәлелін ұсынар еді. Қазіргі уақытта ынтымақтастыққа Колумбия университетінің физика профессоры, итальяндық Елена Априле жетекшілік етеді.
The XENON dark matter research project, operated at the Italian Gran Sasso National Laboratory, is a deep underground detector facility featuring increasingly ambitious experiments aiming to detect hypothetical dark matter particles. The experiments aim to detect particles in the form of weakly interacting massive particles (WIMPs) by looking for rare nuclear recoil interactions in a liquid xenon target chamber. The current detector consists of a dual phase time projection chamber (TPC). The experiment detects scintillation and ionization signals produced when external particles interact in the liquid xenon volume, to search for an excess of nuclear recoil events against known backgrounds. The detection of such a signal would provide the first direct experimental evidence for dark matter candidate particles. The collaboration is currently led by Italian professor of physics Elena Aprile from Columbia University.
Детектордың принципі
XENON эксперименті екі фазалы уақыт проекция камерасын (TPC) пайдаланады, ол сұйық ксенон нысанасын және оның үстінде газдық фазаны қолданады. Екі фотокөбейтуші түтіктер (ФКТ) массиві, біреуі детектордың жоғарғы жағында газдық фазада (GXe), екіншісі сұйық қабаттың төменгі жағында (LXe), зарядталған бөлшектер детекторда өзара әрекеттескен кезде туындайтын сцинтилляция және электролюминесценция жарығын анықтайды. Детектордың сұйық және газдық фазаларына электр өрістері қолданылады. Газдық фазадағы электр өрісі сұйық фазадан электрондарды шығару үшін жеткілікті күшті болуы керек. Сұйық нысанадағы бөлшектердің өзара әрекеттесуі сцинтилляция мен иондануды тудырады. Алғашқы сцинтилляция жарығы 178 нм толқынұзындығындағы ультракүлгін фотондарды шығарады. Бұл сигнал ФКТ-лермен анықталады және S1 сигналы деп аталады. Қолданылатын электр өрісі TPC-дегі зарядталған бөлшектердің өзара әрекеттесуінен туындаған барлық электрондардың қайта бірігуіне жол бермейді. Бұл электрондар электр өрісінің әсерімен сұйық фазаның жоғарғы бөлігіне жылжиды. Содан кейін иондану газдық фазадағы күшті электр өрісі арқылы газдық фазаға шығарылады. Электр өрісі электрондарды пропорционалды сцинтилляциялық сигнал тудыратын жылдамдыққа дейін үдетеді, ол да ФКТ-лермен жиналады және S2 сигналы деп аталады. Бұл техника жеке электроннан туындаған S2 сигналдарын анықтауға жеткілікті сезімтал екенін көрсетті. Детектор бөлшектердің өзара әрекеттесуінің толық 3D-позициясын анықтауға мүмкіндік береді. Сұйық ксенондағы электрондардың жылдамдығы біркелкі. Бұл оқиғаның өзара әрекеттесу тереңдігін S1 және S2 сигналдары арасындағы уақыт кешігуін өлшеу арқылы анықтауға мүмкіндік береді. Оқиғаның x-y жазықтықтағы орны әрбір жеке ФКТ-нің көрген фотондарының санын қарастыру арқылы анықталады. Толық 3D-позиция детектордың флюидализациясына мүмкіндік береді, онда TPC-нің ішкі көлемінде төменгі фондық аймақ анықталады. Бұл флюидализацияланған көлемде сұйық ксенонның өзін-өзі қорғау қасиеттеріне байланысты TPC жиегіндегі детектор аймақтарына қарағанда фондық оқиғалардың деңгейі айтарлықтай төмен. Бұл өте сирек оқиғаларды іздеу кезінде әлдеқайда жоғары сезімталдыққа мүмкіндік береді. Детектор арқылы қозғалатын зарядталған бөлшектер ксенон атомдарының электрондарымен электрондық керілуді тудыруы немесе ядромен өзара әрекеттесіп, ядролық керілуді тудыруы күтіледі. Детектордағы бөлшектердің өзара әрекеттесуінен жиналатын энергияның белгілі бір мөлшері үшін S2/S1 қатынасын электрондық және ядролық керілу оқиғаларын ажырату үшін ажырату параметрі ретінде пайдалануға болады. Бұл қатынас электрондық керілу үшін ядролық керілуге қарағанда жоғары болуы күтіледі. Осылайша электрондық керілуден туындаған фонды 99%-дан астам үстемдеуге болады, сонымен бірге ядролық керілу оқиғаларының 50%-ын сақтап қалуға болады.
The XENON experiment operates a dual phase time projection chamber (TPC), which utilizes a liquid xenon target with a gaseous phase on top. Two arrays of photomultiplier tubes (PMTs), one at the top of the detector in the gaseous phase (GXe), and one at the bottom of the liquid layer (LXe), detect scintillation and electroluminescence light produced when charged particles interact in the detector. Electric fields are applied across both the liquid and gaseous phase of the detector. The electric field in the gaseous phase has to be sufficiently large to extract electrons from the liquid phase. Particle interactions in the liquid target produce scintillation and ionization. The prompt scintillation light produces 178 nm ultraviolet photons. This signal is detected by the PMTs, and is referred to as the S1 signal. The applied electric field prevents recombination of all the electrons produced from a charged particle interaction in the TPC. These electrons are drifted to the top of the liquid phase by the electric field. The ionization is then extracted into the gas phase by the stronger electric field in the gaseous phase. The electric field accelerates the electrons to the point that it creates a proportional scintillation signal that is also collected by the PMTs, and is referred to as the S2 signal. This technique has proved sensitive enough to detect S2 signals generated from single electrons. The detector allows for a full 3 D position determination of the particle interaction. Electrons in liquid xenon have a uniform drift velocity. This allows the interaction depth of the event to be determined by measuring the time delay between the S1 and S2 signal. The position of the event in the x y plane can be determined by looking at the number of photons seen by each of the individual PMTs. The full 3 D position allows for the fiducialization of the detector, in which a low background region is defined in the inner volume of the TPC. This fiducial volume has a greatly reduced rate of background events as compared to regions of the detector at the edge of the TPC, due to the self shielding properties of liquid xenon. This allows for a much higher sensitivity when searching for very rare events. Charged particles moving through the detector are expected to either interact with the electrons of the xenon atoms producing electronic recoils, or with the nucleus, producing nuclear recoils. For a given amount of energy deposited by a particle interaction in the detector, the ratio of S2/S1 can be used as a discrimination parameter to distinguish electronic and nuclear recoil events. This ratio is expected to be greater for electronic recoils than for nuclear recoils. In this way backgrounds from electronic recoils can be suppressed by more than 99%, while simultaneously retaining 50% of the nuclear recoil events.
XENON10
XENON10 эксперименті 2006 жылдың наурыз айында Италиядағы Гран-Сассо жер асты зертханасында орнатылды. Зертхананың жер астында орналасуы 3100 метр су бағанасына тең қорғауды қамтамасыз етеді. Детектор TPC-дегі фондық деңгейді одан да төмендету үшін қосымша қалқанға орналастырылды. XENON10 – XENON дизайнының тиімділігін дәлелдеу және қол жетімді шекті, фонды жою қабілеті мен сезімталдығын тексеру мақсатындағы прототип детектор болды. XENON10 детекторда 15 кг сұйық ксенон болды. TPC-нің сезімтал көлемінің диаметрі 20 см, ал биіктігі 15 см-ге тең. 2006 жылдың қазанынан 2007 жылдың ақпанына дейінгі 59 күннің деректерін талдау WIMP сигналдарын көрсетпеді. WIMP іздеу аймағында байқалған оқиғалар саны электрондық кері секіру фонынан күтілетін оқиғалар санымен статистикалық тұрғыдан сәйкес келеді. Бұл нәтиже минималды суперсимметриялық модельдердегі қолда бар параметрлер кеңістігінің бір бөлігін жойды, 30 WIMP массасы үшін спинге тәуелсіз WIMP ядролық қималарына 10-нан төмен шек қойды. Табиғи ксенонның шамамен жартысы жұп емес спиндік күйлерге ие болғандықтан (129Xe 26% мөлшерде және спині 1/2; 131Xe 21% мөлшерде және спині 3/2), XENON детекторларын қара материя кандидаты бөлшегінің нейтрондармен және протондармен байланысуы үшін спинге тәуелді WIMP ядролық қималарына шектеулер қою үшін де пайдалануға болады. XENON10 таза нейтрондық байланысқа қатысты әлемдегі ең қатаң шектеулерді белгіледі.
The XENON10 experiment was installed at the underground Gran Sasso laboratory in Italy during March 2006. The underground location of the laboratory provides 3100 m of water equivalent shielding. The detector was placed within a shield to further reduce the background rate in the TPC. XENON10 was intended as a prototype detector, to prove the efficacy of the XENON design, as well as verify the achievable threshold, background rejection power and sensitivity. The XENON10 detector contained 15 kg of liquid xenon. The sensitive volume of the TPC measures 20 cm in diameter and 15 cm in height. An analysis of 59 live days of data, taken between October 2006 and February 2007, produced no WIMP signatures. The number of events observed in the WIMP search region is statistically consistent with the expected number of events from electronic recoil backgrounds. This result excluded some of the available parameter space in minimal Supersymmetric models, by placing limits on spin independent WIMP nucleon cross sections down to below 10 for a 30 WIMP mass. Due to nearly half of natural xenon having odd spin states (129Xe has an abundance of 26% and spin 1/2; 131Xe has an abundance of 21% and spin 3/2), the XENON detectors can also be used to provide limits on spin dependent WIMP nucleon cross sections for coupling of the dark matter candidate particle to both neutrons and protons. XENON10 set the world's most stringent restrictions on pure neutron coupling.
XENON100
Екінші фазалық детектор XENON100 165 кг сұйық ксеноннан тұрады, оның 62 кг нысаналық аймақта, ал қалған ксенон белсенді ветода орналасқан. Детектордың TPC-сының диаметрі 30 см, биіктігі 30 см. WIMP өзара әрекеттесулерінің өте сирек болатын оқиғалар екені күтілуде, сондықтан XENON100 құрылысы мен іске қосылу кезеңінде детектордың барлық бөліктерін радиоактивтілікке тексеру үшін толыққанды науқан ұйымдастырылды. Тексеру жоғары тазалықтағы германий детекторларын пайдалану арқылы жүзеге асырылды. Кейбір жағдайларда, төмен массалы пластикалық үлгілерде массалық спектрометрия жүргізілді. Осылайша, <10−2 оқиға/кг/күн/кеВ дизайндық мақсатына қол жеткізілді, нәтижесінде әлемдегі ең төменгі фондық деңгейге ие қараңғы материя детекторы жасалды. Детектор 2008 жылы Гран-Сассо ұлттық зертханасына XENON10 детекторымен бірдей қорғаныс экранында орнатылды және бірнеше ғылыми жүрістер жүргізді. Әр ғылыми жүріс кезінде, күтілетін фоннан жоғары қараңғы материя сигналы байқалмады, бұл 2012 жылы спинге тәуелсіз WIMP ядролық қимасының ең жоғары шегіне әкелді, 65 WIMP массасы үшін минимум 2,0-қа тең болды. Бұл нәтижелер басқа эксперименттердегі сигналдарды қараңғы материяның өзара әрекеттесуі ретінде интерпретациялауға шектеулер қояды және осы қарама-қайшылықты шешетін инеластикалық қараңғы материя сияқты экзотикалық модельдерді жоққа шығарады. XENON100 спинге тәуелді WIMP ядролық қимасының жақсартылған шектерін де ұсынды. 2014 жылы аксионға қатысты жаңа ең жақсы шек белгіленді. XENON100 қараңғы материяны іздеу үшін сол кездегі ең төменгі фондық экспериментті жүргізді, фондық деңгейі 50 (1 = 10−3 оқиға/кг/күн/кеВ) құрады.
The second phase detector, XENON100, contains 165 kg of liquid xenon, with 62 kg in the target region and the remaining xenon in an active veto. The TPC of the detector has a diameter of 30 cm and a height of 30 cm. As WIMP interactions are expected to be extremely rare events, a thorough campaign was launched during the construction and commissioning phase of XENON100 to screen all parts of the detector for radioactivity. The screening was performed using high purity Germanium detectors. In a few cases mass spectrometry was performed on low mass plastic samples. In doing so the design goal of <10−2 events/kg/day/keV was reached, realising the world's lowest background rate dark matter detector. The detector was installed at the Gran Sasso National Laboratory in 2008 in the same shield as the XENON10 detector, and has conducted several science runs. In each science run, no dark matter signal was observed above the expected background, leading to the most stringent limit on the spin independent WIMP nucleon cross section in 2012, with a minimum at 2.0 for a 65 WIMP mass. These results constrain interpretations of signals in other experiments as dark matter interactions, and rule out exotic models such as inelastic dark matter, which would resolve this discrepancy. XENON100 has also provided improved limits on the spin dependent WIMP nucleon cross section. An axion result was published in 2014, setting a new best axion limit. XENON100 operated the then lowest background experiment, for dark matter searches, with a background of 50 (1 =10−3 events/kg/day/keV).
XENON1T
Келесі кезеңнің құрылысы, XENON1T, 2014 жылы Гран-Сассо ұлттық зертханасының B залында басталды. Детекторда 3,2 тонна ультра радио таза сұйық ксенон бар, ал оның пайдалы көлемі шамамен 2 тонна. Детектор мюондарды тоқтату үшін қызмет ететін 10 метрлік су резервуарында орналасқан. TPC-нің диаметрі 1 метр және биіктігі 1 метр. Детектор жобасының тобы, XENON Collaboration деп аталады, Еуропа, Таяу Шығыс және АҚШ-тың 22 институтынан 135 зерттеушіден тұрады. XENON1T-тің алғашқы нәтижелерін XENON ынтымақтастығы 2017 жылдың 18 мамырында жариялады, бұл 2016 жылдың қарашасы мен 2017 жылдың қаңтары аралығында 34 күн ішінде алынған деректерге негізделген. WIMP немесе қара материяның кандидаттарының сигналдары ресми түрде анықталмады, бірақ команда XENON1T-тің тіркеген радиоактивтілігінің рекордылық деңгейде төмендегенін хабарлады. Шеттеу шегі LUX экспериментімен белгіленген бұрынғы ең жақсы шектерден асып түсті, WIMP массасы 35 болғанда 7,7-ден үлкен қималарды жою арқылы. Детектор қабылдайтын кейбір сигналдардың себебі нейтрондар болуы мүмкін, сондықтан радиоактивтілікті азайту WIMP-қа сезімталдықты арттырады. 2018 жылдың қыркүйек айында XENON1T эксперименті 278,8 күн ішінде жиналған деректердің нәтижелерін жариялады. WIMP ядролық спиніне тәуелсіз серпілістік өзара әрекеттесудің жаңа рекордтық шегі орнатылды, WIMP массасы 30 болғанда кемінде 4,1. 2019 жылдың сәуір айында XENON1T детекторында жүргізілген өлшемдерге сүйене отырып, XENON ынтымақтастығы Nature журналында ксенон-124 ядроларындағы екі нейтриноның бірдей электронды тұтқындауының алғашқы тікелей байқалуы туралы хабарлады. Бұл процестің жартылай өмір мерзімі ғаламның жасынан бірнеше есе үлкен, бұл ксенонға негізделген детекторлардың сирек оқиғаларды іздеуге қабілетін көрсетеді және келесі буынның одан да үлкен эксперименттерінің кең физикалық мүмкіндіктерін көрсетеді. Бұл өлшем нейтриносыз қос электронды тұтқындау процесін іздеудегі алғашқы қадамды білдіреді, оны анықтау нейтриноның табиғатын түсінуге және оның абсолютті массасын анықтауға мүмкіндік береді. 2019 жылдан бастап XENON1T эксперименті келесі кезеңнің құрылысына мүмкіндік беру үшін деректерді жинауды тоқтатты. 3,5σ статистикалық маңыздылығымен. Үш түсіндірме қарастырылды: бүгінгі күнге дейін гипотетикалық күн аксиондарының болуы, нейтринолар үшін күтпегендей үлкен магниттік момент және детектордағы тритийдің ластануы. Кейінірек басқа топтар көптеген басқа түсіндірмелер берді және 2021 жылы нәтижелерді қараңғы материя бөлшектері ретінде емес, хамелеондар деп аталатын қараңғы энергия бөлшектері ретінде түсіндіру туралы да талқыланды. 2022 жылдың шілдесінде XENONnT-тің жаңа талдауы артық өнімнің бар екенін жоққа шығарды.
Construction of the next phase, XENON1T, started in Hall B of the Gran Sasso National Laboratory in 2014. The detector contains 3.2 tons of ultra radio pure liquid xenon, and has a fiducial volume of about 2 tons. The detector is housed in a 10 m water tank that serves as a muon veto. The TPC is 1 m in diameter and 1 m in height. The detector project team, called the XENON Collaboration, is composed of 135 investigators across 22 institutions from Europe, the Middle East, and the United States. The first results from XENON1T were released by the XENON collaboration on May 18, 2017, based on 34 days of data taking between November 2016 and January 2017. While no WIMPs or dark matter candidate signals were officially detected, the team did announce a record low reduction in the background radioactivity levels being picked up by XENON1T. The exclusion limits exceeded the previous best limits set by the LUX experiment, with an exclusion of cross sections larger than 7.7 for WIMP masses of 35. Because some signals that the detector receives might be due to neutrons, reducing the radioactivity increases the sensitivity to WIMPs. In September 2018 the XENON1T experiment published its results from 278.8 days of collected data. A new record limit for WIMP nucleon spin independent elastic interactions was set, with a minimum of 4.1 at a WIMP mass of 30. In April 2019, based on measurements performed with the XENON1T detector, the XENON Collaboration reported in Nature the first direct observation of two neutrino double electron capture in xenon 124 nuclei. The measured half life of this process, which is several orders of magnitude larger than the age of the Universe, demonstrates the capabilities of xenon based detectors to search for rare events and showcases the broad physics reach of even larger next generation experiments. This measurement represents a first step in the search for the neutrinoless double electron capture process, the detection of which would provide insight into the nature of the neutrino and allow to determine its absolute mass. As of 2019, the XENON1T experiment has stopped data taking to allow for construction of the next phase, XENONnT. with a statistical significance of 3.5σ. Three explanations were considered: existence of to date hypothetical solar axions, a surprisingly large magnetic moment for neutrinos, and tritium contamination in the detector. Multiple other explanations were given later by others groups and in 2021 an interpretation of the results not as dark matter particles but of as dark energy particles candidates called chameleons has also been discussed. In July 2022 a new analysis by XENONnT discarded the excess.
XENONnT
XENONnT – LNGS-те жер астында орналасқан XENON1T экспериментінің жаңартылған нұсқасы. Оның жүйелеріндегі ксенонның жалпы массасы 8 тоннадан астам. Уақыт проекция камерасындағы үлкен ксенон нысанасынан өзге, жаңартылған экспериментте өлшемдерге кедергі келтіретін радиацияны одан әрі азайту немесе анықтау үшін жаңа компоненттер орнатылған. Ол нейтринолардың маңызды фонға айналатын сезімталдық деңгейіне (зерттелген массалық диапазонның шағын бөлігінде) жету мақсатымен жасалған. 2019 жылы жаңарту жұмыстары жүргізіліп, 2020 жылы алғашқы сынақ жүргізілуі күтілді. XENONnT детекторы 2020 жылдың наурыз айында құрылыс кезеңінде болды. COVID-19 пандемиясының тудырған қиындықтарына қарамастан, жоба 2020 жылдың ортасына дейін құрылысты аяқтап, іске қосу фазасына көшті. Детектордың толыққанды жұмысы 2020 жылдың соңында басталды. 2021 жылдың қыркүйегінде XENONnT өзінің алғашқы ғылыми бағдарламасы үшін ғылыми деректерді жинады, ол сол кезде жалғасып жатты. 2023 жылдың 28 шілдесінде XENONnT WIMP-терді іздеу бойынша алғашқы нәтижелерін жариялады, 28 ГэВ-та 90% сенімділік деңгейінде қималарды жоққа шығарды, ал сол күні LZ эксперименті де өзінің алғашқы нәтижелерін жариялады, 36 ГэВ-та 90% сенімділік деңгейінде қималарды жоққа шығарды.
XENONnT is an upgrade of the XENON1T experiment underground at LNGS. Its systems will contain a total xenon mass of more than 8 tonnes. Apart from a larger xenon target in its time projection chamber the upgraded experiment will feature new components to further reduce or tag radiation that otherwise would constitute background to its measurements. It is designed to reach a sensitivity (in a small part of the mass range probed) where neutrinos become a significant background. As of 2019, the upgrade was on going and first light was expected in 2020. The XENONnT detector was under construction in March 2020. Even with the problems posed by COVID 19, the project was able to finish construction and move forwards into commissioning phase by mid 2020. Full detector operations commenced in late 2020. In September 2021, XENONnT was taking science data for its first science run, which was ongoing at the time. On 28 July 2023 the XENONnT published the first results of its search for WIMPs, excluding cross sections above at 28 GeV with 90% confidence level, jointly on the same date the LZ experiment published its first results too excluding cross sections above at 36 GeV with 90% confidence level.