Сотрудники коллаборации XENON установили ограничения на возможные параметры лёгких частиц тёмной материи (ТМ).
Авторы большинства экспериментов, направленных на прямое обнаружение ТМ, пытаются выделить сигнал от вимпов — слабовзаимодействующих массивных (1–1 000 ГэВ) частиц. Вимпы с такими массами без проблем встраиваются в теорию (их реликтовая распространённость, скажем, естественным образом совпадает с той, которая требуется для тёмной материи), а их рассеяние на ядрах должно давать вполне заметный эффект.
К сожалению, результаты опытов оказываются неубедительными, а иногда и вовсе отрицательными. Это стимулирует разработку новых моделей ТМ, образованной более лёгкими частицами с массой менее одного гигаэлектронвольта. Как недавно показали теоретики, эти лёгкие частицы могут регистрироваться детектором при рассеянии не на ядрах, а на электронах: рассеяние вызовет ионизацию и возбуждение атомов мишени, что, в свою очередь, приведёт к появлению одноэлектронных импульсов. Если исходные ионизационные электроны или фотоны, испускаемые при снятии возбуждения, будут участвовать в дальнейшей ионизации, появятся и сигналы от нескольких электронов.
В проекте XENON роль мишени играет, как нетрудно догадаться, жидкий ксенон. Гипотетические взаимодействия частиц ТМ в объёме детектора ведут к образованию ионов Xe+, возбуждённых атомов Xe* и электронов. Часть последних избегает рекомбинации и уносится от места взаимодействия электрическим полем, попадая в расположенный рядом газообразный ксенон, где создаёт сцинтилляционные фотоны, которые затем обнаруживаются массивом фотоэлектронных умножителей. Для подавления фона экспериментаторы используют пассивную защиту из высокочистой меди, полиэтилена, свинца и воды; кроме того, вся установка, размещённая в подземной итальянской Национальной лаборатории Гран-Сассо, защищена мощным слоем горных пород.
Первый, проверочный этап проекта, названный XENON10, уже завершился. Сейчас масса жидкого ксенона, задействованного в измерениях, существенно увеличена, а эксперимент переименован в XENON100.
Вообще говоря, XENON10 и XENON100 изначально тоже ориентировались на рассеяние тяжёлых вимпов на ядрах. Не обнаружив следов этого процесса, учёные вспомнили о том, что детектор позволяет выделять одно-, двух- и трёхэлектронные события, свидетельствующие о рассеянии на электронах, и задумались об использовании полученной информации для поиска более лёгких частиц.
В своей новой работе участники XENON тщательно смоделировали процесс взаимодействия лёгких частиц ТМ с веществом мишени и оценили вероятность их обнаружения. Сравнив результаты расчётов с довольно старыми опытными данными XENON10, собранными в 2006-м, они выяснили, что сечение рассеяния на электронах для частиц с массой от 20 МэВ до 1 ГэВ не должно (на уровне доверительной вероятности в 90%) превышать 10–37 см². Самые строгие ограничения установлены для массы в 100 МэВ, где сечение не должно превосходить 3•10–38 см².
В скором времени эти первые экспериментальные оценки сечения взаимодействия, разумеется, будут снижены: остаётся лишь дождаться обработки данных XENON100, CDMS и LUX — экспериментов с более крупными мишенями.
Подготовлено по материалам arXiv.
Авторы большинства экспериментов, направленных на прямое обнаружение ТМ, пытаются выделить сигнал от вимпов — слабовзаимодействующих массивных (1–1 000 ГэВ) частиц. Вимпы с такими массами без проблем встраиваются в теорию (их реликтовая распространённость, скажем, естественным образом совпадает с той, которая требуется для тёмной материи), а их рассеяние на ядрах должно давать вполне заметный эффект.
К сожалению, результаты опытов оказываются неубедительными, а иногда и вовсе отрицательными. Это стимулирует разработку новых моделей ТМ, образованной более лёгкими частицами с массой менее одного гигаэлектронвольта. Как недавно показали теоретики, эти лёгкие частицы могут регистрироваться детектором при рассеянии не на ядрах, а на электронах: рассеяние вызовет ионизацию и возбуждение атомов мишени, что, в свою очередь, приведёт к появлению одноэлектронных импульсов. Если исходные ионизационные электроны или фотоны, испускаемые при снятии возбуждения, будут участвовать в дальнейшей ионизации, появятся и сигналы от нескольких электронов.
| Фотоэлектронные умножители установки XENON10 (фото XENON Collaboration). |
В проекте XENON роль мишени играет, как нетрудно догадаться, жидкий ксенон. Гипотетические взаимодействия частиц ТМ в объёме детектора ведут к образованию ионов Xe+, возбуждённых атомов Xe* и электронов. Часть последних избегает рекомбинации и уносится от места взаимодействия электрическим полем, попадая в расположенный рядом газообразный ксенон, где создаёт сцинтилляционные фотоны, которые затем обнаруживаются массивом фотоэлектронных умножителей. Для подавления фона экспериментаторы используют пассивную защиту из высокочистой меди, полиэтилена, свинца и воды; кроме того, вся установка, размещённая в подземной итальянской Национальной лаборатории Гран-Сассо, защищена мощным слоем горных пород.
Первый, проверочный этап проекта, названный XENON10, уже завершился. Сейчас масса жидкого ксенона, задействованного в измерениях, существенно увеличена, а эксперимент переименован в XENON100.
Вообще говоря, XENON10 и XENON100 изначально тоже ориентировались на рассеяние тяжёлых вимпов на ядрах. Не обнаружив следов этого процесса, учёные вспомнили о том, что детектор позволяет выделять одно-, двух- и трёхэлектронные события, свидетельствующие о рассеянии на электронах, и задумались об использовании полученной информации для поиска более лёгких частиц.
В своей новой работе участники XENON тщательно смоделировали процесс взаимодействия лёгких частиц ТМ с веществом мишени и оценили вероятность их обнаружения. Сравнив результаты расчётов с довольно старыми опытными данными XENON10, собранными в 2006-м, они выяснили, что сечение рассеяния на электронах для частиц с массой от 20 МэВ до 1 ГэВ не должно (на уровне доверительной вероятности в 90%) превышать 10–37 см². Самые строгие ограничения установлены для массы в 100 МэВ, где сечение не должно превосходить 3•10–38 см².
В скором времени эти первые экспериментальные оценки сечения взаимодействия, разумеется, будут снижены: остаётся лишь дождаться обработки данных XENON100, CDMS и LUX — экспериментов с более крупными мишенями.
Подготовлено по материалам arXiv.
0 комментариев:
Комментариев нет.