Владимир Моисеев – Краткая история астрономии. Том 11. Темная материя (страница 34)

               Когда гипотетические массивные частицы темной материи (вимпы) пролетают через такую шайбу, они могут столкнуться с атомами кристаллической решетки и заставить их колебаться (такие колебания удобно описывать с помощью квазичастиц — фононов); кроме того, они могут ионизировать вещество, то есть выбить из него электроны. Оба этих эффекта легко отследить — сигнал ионизации можно считывать с помощью усилителей на полевых транзисторах, а фононы удобно отлавливать с помощью сверхпроводящих датчиков краевых переходов, основанных на сверхпроводящих квантовых интерферометрах (СКВИДах).

               К сожалению, частицы темной материи невероятно редко взаимодействуют с частицами Стандартной модели, и точности предыдущей версии установки не хватило, чтобы достоверно зарегистрировать хотя бы одно событие, отвечающее рассеянию вимпов. На этот раз ученые планируют охладить кремний-германиевые детекторы до еще более низкой температуры около 0,1 кельвина и увеличить их объем более чем в два раза, доведя радиус шайбы до десяти сантиметров. Кроме того, новая установка, получившая название SuperCDMS. сможет вместить 31 ряд, в каждом из которых помещается шесть детекторов, что позволит значительно ускорить поиски (правда, первые несколько лет на ней будет работать только четыре ряда). Наконец, SuperCDMS будет находиться не в шахте Судан, а в подземной лаборатории комплекса SNOLAB, оставшейся после экспериментов по поиску нейтрино и расположенной на глубине более двух километров. Таким образом, установка будет лучше защищена как от тепловых флуктуаций, так и от космического фона, который мешает отделить события, отвечающие рассеянию вимпов, от событий, связанных с другими частицами.

_{nplus1.ru, 8 мая 2015, Дмитрий Трунин}

_{https://nplus1.ru/news/2018/05/08/SuperCDMS}

Глава 11-11-8

Проект XENON 

XENON — исследовательский проект по изучению темной материи, который проводится в лаборатории Гран Сассо в Италии. Исследовательская лаборатория находится глубоко под землей, где ученые ставят эксперименты, пытаясь выявить и исследовать частицы темной материи. Считается, что эти слабо взаимодействующие массивные частицы (англ. Weakly interacting massive particles Weakly interacting massive particles — WIMP) можно обнаружить, если фиксировать жидкие ядерные распады и возмущения в закрытой камере, наполненной ксеноном.

               Эксперимент обнаруживает сцинтилляции и ионизации, которые возникают в результате взаимодействия частиц с жидким ксеноном, что дает возможность выявить прохождения реакций ядерного распада. Во главе группы итальянский физик — профессор колумбийского университета Елена Априле.

               В эксперименте XENON используется двухфазная время-проекционная камера, которая в нижней части заполнена жидким ксеноном, а в верхней — газообразным. Две матрицы фотоэлектронных умножителей (ФЭУ), один наверху детектора, где вещество в газообразном состоянии (GXe), а другой — под жидким слоем ксенона (LXe), обеспечивают детектирование сцинтилляций, когда заряженные частицы взаимодействуют с веществом в детекторе.

               Ожидается, что искомые заряженные частицы, которые пролетают через детектор, будут взаимодействовать и с электронами атомов ксенона, и с самими ядрами атомов ксенона. Теория гласит, что частица темной материи, которая ударит по атомам в резервуаре, высвободит фотоны и электроны, которые можно будет зафиксировать в виде вспышек света. Такие сигналы впервые были зафиксированы 16 июня 2020, они могут стать подтверждением существования темной материи.

XENON10

               Эксперимент XENON10 проводился в подземной лаборатории Гран-Сассо в течение марта 2006 года. Подземное размещение лаборатории обеспечило экранирование, эквивалентное слою воды толщиной 3100 метров. Кроме того, сам детектор был дополнительно экранирован, чтобы ещё уменьшить фоновый шум на ВПК. Вообще XENON10 расценивался как прототип детектора, основным его назначением было доказать эффективность самой концепции XENON, а также проверить достижимость тех или иных предельных значений, чувствительность и фоновую мощность. Детектор XENON10 содержал 15 килограмм жидкого ксенона. Размеры чувствительного объёма ВПК составляли 20 см в диаметре и 15 см в высоту.

XENON100

               Криостат и экран XENON100. Экран состоит из внешней оболочки, наполненной водой толщиной 20 см, затем 20 см свинцовой обложки, затем 20 см полиэтилена и внутренней оболочки с 5-см слоем меди.

Вторая фаза детектора под названием XENON100 содержала уже 165 кг жидкого ксенона, из которых 62 кг приходилось на область мишени, а все остальное приходилось на «active veto» сенсор. ВПК имела 30 см в диаметре и 30 см высотой.

XENON1T

 

               Строительство третьей фазы под названием XENON1T началось в зале B (Hall B) Гран-Сассо в 2014 году. Проект детектора предусматривает 3,5 тонн ультра радио-очищенного жидкого ксенона, из которых на область мишени будет приходиться более 1 тонны. Детектор помещен в наполненную водой оболочку высотой 10 метров, которая будет выполнять роль «мюонного вето». ВПК будет иметь 1 м в диаметре и столько же в высоту.

               На детекторе планируется изучить и протестировать некоторые теоретические модели, которые являются кандидатами на суперсимметрию.

Глава 11-11-9

Коллаборация DarkSide

               Коллаборация DarkSide — это международное объединение университетов и лабораторий, стремящееся напрямую обнаруживать темную материю в форме слабовзаимодействующих массивных частиц (WIMP). Сотрудничество занимается планированием, строительством и эксплуатацией серии камер проекции времени с жидким аргоном (TPC), которые используются в Национальной лаборатории Гран-Сассо в Ассержи, Италия. Детекторы заполнены жидким аргоном из подземных источников для исключения радиоактивного изотопа 39. Ar, который составляет один из каждых 10¹⁵ (квадриллионов) атомов атмосферного аргона.

               Прототип Darkside-10 (DS-10) был испытан в 2012 году, а эксперимент Darkside-50 (DS-50) проводится с 2013 года. Darkside-20k (DS-20k) с 20 тоннами жидкого аргона планируется 2019 года.

               Прототип детектора Darkside-10 содержал 10 кг жидкого аргона. Он был построен в Принстонском университете и проработал там семь месяцев, после чего в 2011 году был перевезен в Национальную лабораторию Гран-Сассо. Детектор работал в Гран-Сассо в 2011-2012 годах.

               Dарксайд-50 имеет массу мишени из аргона 46 кг. Планируется трехлетний период и предлагается расширение в тоннах. Первоначальные результаты за месяц бега были опубликованы в 2014 году. Независимые от спина пределы были установлены с использованием 1422 кг×дней воздействия атмосферного аргона. Был найден предел сечения 6,1×10^-44 см² для вимпа мощностью 100 Гэв.

Часть

Поиски WIMP

Содержание

(том – часть – глава)

11-12-1. Недавние поиски частиц темной материи закончились неудачей

11-12-2. В фоновом гамма-излучении Вселенной не обнаружено признаков темной материи

11-12-3. «Созвездие» спутников GPS превратили в детектор темной материи

11-12-4. «Хаббл» поставил под сомнение теорию холодной темной материи

11-12-5. Физик объяснил неудачи при регистрации темной материи отталкиванием

11-12-6. Физики заподозрили земную кору в «ослеплении» детекторов темной материи

11-12-7. Новый детектор не подтверждает наличия темной материи

11-12-8. Темная материя существует: Наблюдения не подтверждают альтернативные гипотезы

11-12-9. Физики предложили схему универсального алмазного детектора темной материи

11-12-10. Физики использовали все еще живых людей в качестве детектора темной материи

11-12-11. Ускоритель темной материи облегчит ее поиски

11-12-12. Новые поиски темной материи предложили вести на старых детекторах

11-12-13. Новая модель показывает, как выглядела бы темная материя, если бы была видимой

11-12-14. Новые данные показывают, что модели темной материи расходятся с наблюдениями

11-12-15 Темную материю предложили детектировать с помощью маятников

Глава 11-12-1

Недавние поиски частиц темной материи закончились неудачей

Июль 2016

               Ученые в минувший четверг сообщили о завершении продолжавшихся в течение 20 месяцев поисков ВИМПов (WIMPs, weakly interacting massive particles), слабо взаимодействующих массивных частиц, главных кандидатов на роль частиц темной материи. Эти поиски проходили на территории заброшенной золотой шахты под более чем километровым слоем горных пород в местечке Блэк Хилз, штат Южная Дакота, США, в Сэнфордской подземной лаборатории.

               Использованный в этой работе детектор ВИМПов состоял из резервуара с охлажденным жидким ксеноном, который был окружен сенсорами, способными измерять яркость крохотных вспышек света, вызываемых столкновениями частиц темной материи с атомами ксенона.

               Для защиты от космических лучей резервуар с ксеноном был погружен в емкость, наполненную 18 кубометрами воды сверхвысокой очистки.

               Ученые смоделировали, как будет выглядеть столкновение ВИМПа с атомом ксенона, а также проверили срабатывание детектора на потоки нейтронов и частиц радиоактивных газов.