Търсене на светлина за признаци на тъмна материя

Търсене на светлина за признаци на тъмна материя

Фотоумножителните тръби на LUX са подредени в шестоъгълен модел вътре в детектора на частици. Снимка от Matt Kapust от Sanford Underground Research Facility

На една миля под земята в Блек Хилс, Южна Дакота, тази подобна на пчелна пита структура играе важна роля в търсенето на тъмна материя.



Всеки кръг съдържа фотоумножителна тръба или PMT, която е вакуумна тръба, способна да открива ниски нива на светлина. В този случай PMTs се използват в детектор на частици за откриване на взаимодействия между течен ксенон и вид тъмна материя, наречена „слабо взаимодействаща масивна частица“ или WIMP, казва Рик Гейтскел, професор по физика от университета Браун, който в момента работи в Black Хълмове на Голям подземен ксенонов (LUX) експеримент , сътрудничество на повече от 100 учени за откриване на тъмна материя. (Гледайте видеоклипа по-долу за повече информация относно LUX.)

WIMP са едни от най-популярните кандидати за тъмна материя. Теоретично те взаимодействат помежду си и с друга материя гравитационно. Но те също могат да си взаимодействат чрез това, което се нарича слаба сила, сила на привличане, която, макар и все още слаба, е по-силна от гравитацията на много кратки разстояния на субатомно ниво. Това е този тип взаимодействие, което експериментът LUX търси в своя детектор.

Идеята е, че ако множество частици взаимодействат с ксенона чрез слабата сила, различните маси на тези частици могат да бъдат определени чрез поредица от изчисления въз основа на енергията, отделена по време на всяко взаимодействие. И след като изследователите научат масата на дадена частица, те могат да определят нейната идентичност. В този случай изследователите от LUX търсят специално частиците, които съответстват на масата, която са изчислили като тъмна материя.

LUX детекторът – наричан още камера за проекция на времето – побира над 700 паунда течен ксенон. Втечненият благороден газ е сцинтилатор, така че когато частица от някакъв вид взаимодейства с частица ксенон, се произвежда светлина. PMT (има 122 от тях, облицоващи горната и долната част на детектора, закрепени в медни монтажни масиви) са толкова чувствителни, че могат да улавят единични фотони светлина.

Предният край на фотоумножителна тръба, използвана в LUX. Черният квадрат, който се вижда в тръбата, е мястото, където фотоните се преобразуват в електрони, които след това се размножават. На заден план се крие медният монтажен масив, в който са подредени PMT в детектора на LUX. Снимка от Карлос Фахам

Фотоумножителните тръби работят „малко като телевизор, работещ в обратна посока“, обяснява Гейтскел. При телевизорите старомодните електроннолъчеви тръби ще приемат електронни сигнали и ще ги преобразуват в поток от електрони. Електроните ще ударят предната страна на телевизора и ще излъчват светлина, казва той.

Обратно, PMT имат фотокатоден материал на предните си страни, който събира светлина и преобразува тези фотони в електрони, които удрят диноди вътре в тръбата, която умножават се тях.

Фотоумножителната тръба „ви позволява да усилите това, което първоначално е един електрон в каскада от над един милион електрона“, казва Гейтскел. Тези електрони се превръщат в „малък импулс на напрежение“, макар и достатъчно голям, за да могат изследователите на LUX да четат като данни на своите компютри. В тези данни те търсят подпис, който съответства на това, което според тях е масата на WIMP.

Учените все още се борят да разберат колко често частиците на тъмната материя взаимодействат с течния ксенон. Първоначално те изчислиха, че един килограм ксенон ще получи стотици взаимодействия с WIMP на ден. Те скоро разбраха, че изчислението е по-скоро като едно взаимодействие на всеки 100 години.

Тъмната материя „включва физика на частиците в енергиен мащаб, който е на или отвъд всичко, което сме постигнали досега“, казва Гейтскел. „И като следствие, ние все още не сме съвсем сигурни какви са силните страни на тази физика, тези частици [т.е. WIMP и ксенонови ядра или атоми].“

Когато изследователите на LUX пуснаха детектора в продължение на три месеца през 2013 г., те записаха близо 100 милиона взаимодействия или събития. Те стесняват тези до само 160, които изглежда отговарят на техните изчисления за тъмната материя. „Но най-важното е, че нито едно от тези събития не премина нито един от нашите тестове за тъмна материя“, казва Гейтскел.

Сега те работят с LUX от почти една година и се надяват да получат взаимодействия за 300 дни, преди да го изключат в средата на 2016 г., за да анализират данните.

„Ако видим нещо, ще сме видели само малък брой събития“, казва Гейтскел. „Ако не виждаме нищо, така или иначе, трябва да изградим по-голям детектор.“ Следващият детектор, наречен LUX ZEPLIN (LZ), ще увеличи експеримента LUX с коефициент 20 - което означава повече от осем тона течен ксенон и по-големи и по-чувствителни PMT.