Темная материя небыла найдена даже под землей

Ушло 85 дней на поиски частиц неизведанной черной материи в рамка программы Large Underground Xenon (LUX). Исследования проводились при помощи датчика, который был расположен на глубине больше 1,5 километров ниже поверхности Южной Дакоты, но они не дали никаких результатов. Такие «нулевые» результаты по большей степени исключают возможность существования частиц темной материи, энергия которых составляет около 8,6 ГэВ, несмотря на то, что намеки на их существование были в других экспериментах.

Датчик этого эксперимента – самый чувствительный на сегодняшний день детектор, который способен регистрировать неуловимые WIMP-частицы – это массивные частицы, которые слабо взаимодействуют с материей окружающей среды. Датчик расположен на глубине 180 метров в помещении Стэндфордского подземного исследовательского центра, который расположен в Южной Дакоте.

Снаружи этот датчик выглядит, как цилиндр диаметром 7,6 метра и высотой 6,1 метра. Он заполнен очищенной водой, из которой предварительно были удалены все ионы. Эта вода служит барьером, который защищает датчик от влияния радиации и прочего излучения, вырабатываемых внешними источниками, радиоактивными веществами, содержащихся в горных породах, а также от космического излучения, которое кроме этого ослабленно в миллиард раз горными породами, под которыми и расположен датчик.

Внутри датчика находится емкость с 370 килограммами жидкого ксенона. Из них 118 килограмм находятся в объеме основного сцинтиллятора датчика – здесь свет от столкновения атомов ксенона с другими частицами улавливается высокочувствительными фотодатчиками. Остальная часть ксенона применяется для охлаждения датчика, а также чтобы оградить объем сцинтиллятора от материала конструкций самого датчика, которые тоже немного радиоактивны.

Активная область датчика имеет 48 сантиметров в высоту и 47 сантиметров в диаметре. Если частицы, прибывающие извне, в том числе частицы темной материи, столкнутся с атомами ксенона, эти атомы произведут вспышку белого света. Это событие было названо событием S1.

Ионизация атомов ксенона произойдет только в том случае, если у прибывшей извне частицы будет достаточно большая энергия. Чтобы определять случаи ионизации, весь внутренний объем датчика находится под действием электрического поля с силой 181 В/см. Электроны, высвободившиеся при ионизации, двигаются вверх под действием электрического поля и вырабатывают второй импульс, так называемое событие S2. Измерив время между событиями S1 и S2, ученые устанавливают расстояние между местами, где произошли данные события. Чтобы определить место, в котором произошло событие S1, используют анализ сигналов от матрицы из 61 датчика-фотоумножителя.

Несмотря на отсутствие результатов, данные эксперимента LUX позволят ученым сократить область поиска черной материи в разы.