Исследование тёмной материи в эксперименте XENON

Введение

Исследовательский проект по темной материи

Исследовательский проект по темной материи XENON, осуществляемый в итальянской Национальной лаборатории Гран-Сассо, представляет собой глубокоподземный детекторы комплекс, включающий в себя все более амбициозные эксперименты, направленные на обнаружение гипотетических частиц темной материи. Эксперименты нацелены на обнаружение частиц в форме слабо взаимодействующих массивных частиц (WIMPs) путем поиска редких взаимодействий ядерного отката в камере с жидким ксеноном. Текущий детектор состоит из двухфазной камеры временной проекции (TPC). Эксперимент регистрирует сцинтилляционные и ионизационные сигналы, возникающие при взаимодействии внешних частиц в объеме жидкого ксенона, для поиска избытка событий ядерного отката на фоне известных процессов. Обнаружение такого сигнала предоставит первое прямое экспериментальное подтверждение существования частиц-кандидатов в темную материю. В настоящее время коллаборацией руководит итальянский профессор физики Елена Априле из Колумбийского университета.

Принцип детектора

Эксперимент XENON использует двухфазную камеру временной проекции (TPC), которая использует жидкую ксеноновую мишень с газовой фазой сверху. Два массива фотоумножительных трубок (PMT), один в верхней части детектора в газообразной фазе (GXe), а другой – в нижней части жидкого слоя (LXe), обнаруживают сцинтилляцию и электролюминесценцию, возникающие при взаимодействии заряженных частиц в детекторе. Электрические поля прикладываются как к жидкой, так и к газообразной фазам детектора. Электрическое поле в газообразной фазе должно быть достаточно сильным для извлечения электронов из жидкой фазы. Взаимодействие частиц в жидкой мишени приводит к сцинтилляции и ионизации. Первичная сцинтилляция производит ультрафиолетовые фотоны с длиной волны 178 нм. Этот сигнал обнаруживается ПМТ и называется сигналом S1. Приложенное электрическое поле предотвращает рекомбинацию электронов, образовавшихся в результате взаимодействия заряженной частицы в TPC. Эти электроны дрейфуют к вершине жидкой фазы под действием электрического поля. Затем ионизация извлекается в газовую фазу более сильным электрическим полем. Электрическое поле ускоряет электроны до такой степени, что создается пропорциональный сцинтилляционный сигнал, который также регистрируется ПМТ и называется сигналом S2. Эта методика оказалась достаточно чувствительной для обнаружения сигналов S2, генерируемых отдельными электронами. Детектор позволяет полностью определить трехмерную (3D) позицию взаимодействия частицы. Электроны в жидком ксеноне имеют постоянную скорость дрейфа. Это позволяет определить глубину взаимодействия события, измеряя временную задержку между сигналами S1 и S2. Положение события в плоскости x-y можно определить, анализируя количество фотонов, зарегистрированных каждым из отдельных ПМТ. Полное 3D-положение позволяет провести фидуциализацию детектора, то есть определить область с низким фоновым уровнем во внутреннем объеме TPC. Этот фидуциальный объем имеет значительно более низкий уровень фоновых событий по сравнению с областями детектора на краю TPC благодаря самоэкранирующим свойствам жидкого ксенона. Это обеспечивает более высокую чувствительность при поиске очень редких событий. Ожидается, что заряженные частицы, проходящие через детектор, будут взаимодействовать либо с электронами атомов ксенона, вызывая электронные отдачи, либо с ядром, вызывая ядерные отдачи. Для заданного количества энергии, переданной частицей в детекторе, отношение S2/S1 может использоваться в качестве параметра дискриминации для различения электронных и ядерных отдач. Ожидается, что это отношение будет больше для электронных отдач, чем для ядерных. Таким образом, фоновый вклад от электронных отдач можно подавить более чем на 99%, одновременно сохраняя 50% ядерных событий отдачи.

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

Эксперимент XENON10 был установлен в подземной лаборатории Гран-Сассо в Италии в марте 2006 года. Подземное расположение лаборатории обеспечивает защиту, эквивалентную 3100 м водяного столба. Детектор был помещен в дополнительный экран для дальнейшего снижения уровня фонового излучения в TPC. XENON10 задумывался как прототип детектора для подтверждения эффективности конструкции XENON, а также для проверки достижимого порога, способности подавления фонового шума и чувствительности. Детектор XENON10 содержал 15 кг жидкого ксенона. Чувствительный объем TPC имеет диаметр 20 см и высоту 15 см. Анализ 59 дней эффективных измерений, проведенных в период с октября 2006 года по февраль 2007 года, не выявил сигналов, соответствующих WIMP. Количество событий, наблюдаемых в области поиска WIMP, статистически согласуется с ожидаемым количеством событий, вызванных электронным отскоком. Этот результат исключил часть доступного пространства параметров в минимальных суперсимметричных моделях, установив ограничения на спин-независимые сечения взаимодействия WIMP с нуклонами, до значений ниже 10 для WIMP-частицы массой 30. Поскольку почти половина природного ксенона имеет нечетные спиновые состояния (129Xe имеет содержание 26% и спин 1/2; 131Xe имеет содержание 21% и спин 3/2), детекторы XENON также могут быть использованы для установления ограничений на спин-зависимые сечения взаимодействия WIMP с нуклонами при взаимодействии частицы-кандидата на роль темной материи как с нейтронами, так и с протонами. XENON10 установил самые жесткие в мире ограничения на взаимодействие только с нейтронами.

XENON100

Второй фазовый детектор XENON100 содержит 165 кг жидкого ксенона, из которых 62 кг находятся в целевой области, а остальной ксенон используется в активном вето. TPC детектора имеет диаметр 30 см и высоту 30 см. Поскольку взаимодействия с WIMP, как ожидается, будут крайне редкими событиями, в ходе строительства и наладки XENON100 была проведена тщательная кампания по проверке всех компонентов детектора на радиоактивность. Проверка осуществлялась с использованием высокочистых германиевых детекторов. В некоторых случаях проводилась масс-спектрометрия образцов пластика небольшой массы. В результате была достигнута проектная цель – менее 10−2 событий/кг/день/кэВ, что позволило создать детектор темной материи с самой низкой в мире фоновой частотой. Детектор был установлен в Национальной лаборатории Гран-Сассо в 2008 году в той же защитной оболочке, что и детектор XENON10, и выполнил несколько научных запусков. Ни в одном из научных запусков не было обнаружено сигнала темной материи выше ожидаемого фона, что позволило установить наиболее жесткое ограничение на спин-независимое сечение взаимодействия WIMP с нуклонами в 2012 году, с минимумом при 2,0 для массы WIMP 65. Эти результаты ограничивают интерпретации сигналов в других экспериментах как взаимодействия темной материи и исключают экзотические модели, такие как неэластичная темная материя, которые могли бы объяснить это расхождение. XENON100 также предоставил более строгие ограничения на спин-зависимое сечение взаимодействия WIMP с нуклонами. Результаты поиска аксионов были опубликованы в 2014 году и установили новый наилучший предел на свойства аксионов. XENON100 работал на самом низком уровне фонового шума среди экспериментов по поиску темной материи, с фоном 50 (1 = 10−3 событий/кг/день/кэВ).

XENON1T

Строительство следующей фазы, XENON1T, началось в зале B Национальной лаборатории Гран-Сассо в 2014 году. Детектор содержит 3,2 тонны ультрачистого жидкого ксенона и имеет фидуциальный объем около 2 тонн. Детектор размещен в 10-метровом резервуаре с водой, который служит мюонным вето. Диаметр ТПК составляет 1 м, а высота – 1 м. Команда проекта по созданию детектора, называемая «Сотрудничеством XENON», состоит из 135 исследователей из 22 учреждений Европы, Ближнего Востока и Соединенных Штатов. Первые результаты XENON1T были опубликованы сотрудничеством XENON 18 мая 2017 года на основе 34 дней сбора данных в период с ноября 2016 года по январь 2017 года. Хотя официально не было обнаружено никаких WIMP или сигналов-кандидатов в темную материю, команда объявила о рекордно низком снижении уровня фоновой радиоактивности, зарегистрированного XENON1T. Пределы исключения превысили предыдущие лучшие пределы, установленные экспериментом LUX, исключая поперечные сечения больше 7,7 для масс WIMP равных 35. Поскольку некоторые сигналы, которые детектирует прибор, могут быть вызваны нейтронами, уменьшение радиоактивности повышает чувствительность к WIMP. В сентябре 2018 года эксперимент XENON1T опубликовал результаты, полученные за 278,8 дней сбора данных. Был установлен новый рекордный предел для упругих взаимодействий WIMP с нуклонами, не зависящих от спина, равный 4,1 при массе WIMP 30. В апреле 2019 года, на основе измерений, выполненных с детектором XENON1T, сотрудничество XENON сообщило в журнале Nature о первом прямом наблюдении двойного бета-распада без испускания нейтрино в ядрах ксенона-124. Измеренный период полураспада этого процесса, который на несколько порядков превышает возраст Вселенной, демонстрирует возможности детекторов на основе ксенона для поиска редких событий и широкие перспективы для еще более крупных экспериментов следующего поколения. Это измерение является первым шагом в поиске процесса двойного захвата электронов без испускания нейтрино, обнаружение которого позволит понять природу нейтрино и определить его абсолютную массу. С 2019 года эксперимент XENON1T прекратил сбор данных для подготовки к строительству следующей фазы, XENONnT, со статистической значимостью 3,5σ. Рассматривались три объяснения: существование пока гипотетических солнечных аксионов, неожиданно большой магнитный момент нейтрино и загрязнение детектора тритием. Позже другие группы предложили несколько альтернативных объяснений, а в 2021 году была рассмотрена интерпретация результатов как сигналов не от частиц темной материи, а от кандидатов в частицы темной энергии, называемых хамелеонами. В июле 2022 года новый анализ, проведенный XENONnT, опроверг наличие избытка событий.

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 — это модернизация эксперимента XENON1T, расположенного под землей в LNGS. Его системы будут содержать общую массу ксенона более 8 тонн. Помимо увеличения массы ксеноновой мишени в камере временной проекции, модернизированный эксперимент будет оснащен новыми компонентами для дальнейшего снижения или идентификации излучения, которое в противном случае создавало бы фон для измерений. Он разработан для достижения чувствительности (в небольшой части исследуемого диапазона масс), при которой нейтрино становятся значимым источником фона. По состоянию на 2019 год модернизация продолжалась, а ввод в эксплуатацию ожидался в 2020 году. В марте 2020 года детектор XENONnT находился в стадии строительства. Несмотря на проблемы, вызванные COVID-19, проект смог завершить строительство и перейти к этапу ввода в эксплуатацию к середине 2020 года. Полноценная работа детектора началась в конце 2020 года. В сентябре 2021 года XENONnT собирал научные данные в рамках первого научного запуска, который в то время находился в процессе. 28 июля 2023 года XENONnT опубликовал первые результаты поиска WIMP-частиц, исключив сечения рассеяния выше 28 ГэВ с уровнем доверия 90%. В тот же день эксперимент LZ также опубликовал свои первые результаты, исключив сечения рассеяния выше 36 ГэВ с уровнем доверия 90%.