Velký podzemní xenonový experiment - Large Underground Xenon experiment

The Velký podzemní xenonový experiment (LUX) zaměřené na přímou detekci slabě interagující masivní částice (WIMP) temná hmota interakce s běžnou hmotou na Zemi. Navzdory bohatství (gravitačních) důkazů podporujících existencibaryonický temná hmota ve vesmíru,[1] částice temné hmoty v naší galaxii nebyly nikdy v experimentu přímo detekovány. LUX využil 370 kg kapaliny xenon detekční hmotnost v a komora pro projekci času (TPC) k identifikaci jednotlivých interakcí částic, hledání interakcí slabé temné hmoty s bezprecedentní citlivostí.[2]

Experiment LUX, jehož výstavba stála přibližně 10 milionů dolarů,[3] byla umístěna 1 510 m (4 950 ft) pod zemí v Sanford Underground Laboratory (SURF, dříve Deep Underground Science and Engineering Laboratory nebo DUSEL) v Homestake Mine (Jižní Dakota) v Olovo, Jižní Dakota. Detektor byl umístěn v kampusu Davis, v bývalém areálu nositele Nobelovy ceny Neutrinový experiment v domácnosti vedené Raymond Davis. Bylo provozováno v podzemí, aby se snížil hluk pozadí způsobený vysokou energií kosmické paprsky na zemském povrchu.

Detektor byl vyřazen z provozu v roce 2016 a nyní je k vidění na Návštěvnické centrum pro domácí zvířata v Sanfordu.[4]

Experiment s velkým podzemním xenonem instaloval 1 480 m (4 850 stop) pod zemí uvnitř štítu nádrže na vodu.
Experiment s velkým xenonovým podzemím instaloval 1 460 m (4 850 ft) pod zemí uvnitř 260 m3 (70 000 US gal) štít nádrže na vodu. Pokusem byl 370 kg kapalného xenonu komora pro projekci času jehož cílem bylo detekovat slabé interakce mezi WIMP temná hmota a obyčejná hmota.

Princip detektoru

Detektor byl izolován od částic pozadí okolní vodní nádrží a zemí nahoře. Toto stínění omezovalo kosmické paprsky a záření interagující s xenonem.

Interakce v kapalném xenonu generují ultrafialové záření o vlnové délce 175 nm fotony a elektrony. Tyto fotony byly okamžitě detekovány dvěma poli 61 fotonásobiče v horní a dolní části detektoru. Tyto rychlé fotony byly signálem S1. Elektrony generované interakcí částic proudily elektrickým polem nahoru směrem k xenonovému plynu. Elektrony byly silnějším elektrickým polem taženy v plynu na povrchu a vytvářeny elektroluminiscence fotony detekované jako signál S2. Signál S1 a následný signál S2 představoval interakci částic v kapalném xenonu.

Detektor byl a komora pro projekci času (TPC), využívající čas mezi signály S1 a S2 k nalezení hloubky interakce, protože elektrony se pohybují konstantní rychlostí v kapalném xenonu (kolem 1–2 km / s, v závislosti na elektrickém poli). Souřadnice xy události byla odvozena z elektroluminiscenčních fotonů na horním poli statistickými metodami (Monte Carlo a odhad maximální věrohodnosti ) na rozlišení pod 1 cm.[5]

Interakce částic v detektoru LUX
Interakce částic uvnitř detektoru LUX vytvářely fotony a elektrony. Fotony (), pohybující se rychlostí světla, byly rychle detekovány trubicemi fotonásobiče. Tento fotonový signál se nazýval S1. Elektrické pole v kapalném xenonu driftovalo elektrony směrem k povrchu kapaliny. Mnohem vyšší elektrické pole nad povrchem kapaliny vytáhlo elektrony z kapaliny a do plynu, kde se šířily elektroluminiscence fotony (stejně jako neonový nápis produkuje světlo). Elektroluminiscenční fotony byly detekovány trubicemi fotonásobiče jako signál S2. Interakce jedné částice v kapalném xenonu by mohla být identifikována dvojicí signálu S1 a S2.
Schéma velkého podzemního xenonového detektoru
Schéma detektoru velkého podzemního xenonu (LUX). Detektor sestával z vnitřního kryostat naplněno 370 kg kapalného xenonu (300 kg ve vnitřní oblasti, nazývaného „aktivní objem“) ochlazeného na –100 ° C. 122 fotonásobiče detekované světlo generované uvnitř detektoru. Detektor LUX měl vnější kryostat, který zajišťoval vakuovou izolaci. Nádrž na vodu o průměru 8 metrů a 6 metrů vysoké chránila detektor před vnějším zářením, jako např gama paprsky a neutrony.

Hledání temné hmoty

Očekává se, že WIMP budou interagovat výlučně s kapalnými xenonovými jádry, což povede k jaderným zpětným rázům, které se zdají velmi podobné srážkám neutronů. Aby bylo možné oddělit interakce WIMP, musí být neutronové události minimalizovány prostřednictvím stínění a ultrakrátkých stavebních materiálů.

Aby bylo možné rozeznat WIMP od neutronů, je třeba porovnat počet jednotlivých interakcí s více událostmi. Protože se očekává, že WIMP budou tak slabě interagovat, většina by prošla detektorem bez povšimnutí. Jakékoli interakce WIMP budou mít zanedbatelnou šanci na opakovanou interakci. Neutrony mají na druhou stranu přiměřeně velkou šanci na několik kolizí v cílovém objemu, jejichž frekvenci lze přesně předpovědět. S využitím těchto znalostí, pokud poměr jednotlivých interakcí k více interakcím překročí určitou hodnotu, lze spolehlivě odvodit detekci temné hmoty.

Spolupráce

Spolupráce LUX byla složena z více než 100 vědců a inženýrů z 27 institucí v USA a Evropě. LUX byl složen z většiny amerických skupin, které spolupracovaly v 10. XENON experiment, většina skupin v ZEPLIN III experiment, většina americké složky experimentu ZEPLIN II, a skupiny zapojené do vyhledávání vzácných událostí na pozadí, jako je Super Kamiokande, SNO, Kostka ledu, Kamland, EXO a Double Chooz.

Spolu mluvčími experimentu LUX byli Richard Gaitskell z Brown University (který od roku 2007 působil jako spolu mluvčí) a Daniel McKinsey z University of California, Berkeley (od roku 2012 působil jako spolu mluvčí). Tom Shutt z Case Western Reserve University byl v letech 2007 až 2012 spolu mluvčím LUX.

Postavení

Montáž detektoru byla zahájena koncem roku 2009. Detektor LUX byl uveden do provozu nad zemí na SURF na šestiměsíční provoz. Sestavený detektor byl transportován do podzemí z povrchové laboratoře ve dvoudenním provozu v létě roku 2012 a data byla zahájena v dubnu 2013 a první výsledky představily na podzim roku 2013. V roce 2016 byl vyřazen z provozu.[4]

Následný experiment nové generace, sedm tun LUX-ZEPLIN bylo schváleno,[6] by mělo začít v roce 2020.[7]

Výsledek

Počáteční nezaslepená data přijatá od dubna do srpna 2013 byla oznámena 30. října 2013. V běhu 85 živých dní s referenčním objemem 118 kg získal LUX 160 událostí splňujících kritéria výběru datové analýzy, vše v souladu s pozadím zpětného rázu elektronů. A pravděpodobnost profilu statistický přístup ukazuje, že tento výsledek je v souladu s hypotézou pouze na pozadí (žádné interakce WIMP) s a p-hodnota 0,35. Jednalo se o nejcitlivější výsledek přímé detekce temné hmoty na světě a vyloučil náznaky signálu WIMP s nízkou hmotností, například z Přesvědčivý a CDMS-II.[8][9] Tyto výsledky vyškrtly některé z teorií o WIMP, což vědcům umožnilo soustředit se na méně zájemců.[10]

V závěrečném běhu od října 2014 do května 2016 neviděl LUX na čtyřnásobku své původní designové citlivosti s 368 kg kapalného xenonu žádné známky kandidáta na temnou hmotu - WIMP.[7] Podle Ethan Siegel, výsledky z LUX a XENON1T poskytly důkazy proti supersymetrický „Zázrak WIMP“ dostatečně silný, aby motivoval teoretiky k alternativním modelům temné hmoty.[11]

Reference

  1. ^ Beringer, J .; et al. (2012). „Recenze částicové fyziky v roce 2012“ (PDF). Phys. Rev. D. 86 (10001). Bibcode:2012PhRvD..86a0001B. doi:10.1103 / PhysRevD.86.010001.
  2. ^ Akerib, D .; et al. (Březen 2013). "Experiment s velkým podzemním xenonem (LUX)". Jaderné přístroje a metody ve fyzikálním výzkumu A. 704: 111–126. arXiv:1211.3788. Bibcode:2013 NIMPA.704..111A. doi:10.1016 / j.nima.2012.11.135.
  3. ^ Reich, E. Lov temné hmoty se prohlubuje Příroda 21. února 2013
  4. ^ A b Van Zee, Al (20. července 2017). „Detektor tmavé hmoty LUX je nyní součástí nové expozice v laboratoři v Sanfordu“. Black Hills Pioneer. Olovo, Jižní Dakota. Citováno 21. června 2019.
  5. ^ Akerib; et al. (Květen 2013). "Technické výsledky z povrchového běhu experimentu s temnou hmotou LUX". Astroparticle Physics. 45: 34–43. arXiv:1210.4569. Bibcode:2013APh .... 45 ... 34A. doi:10.1016 / j.astropartphys.2013.02.001.
  6. ^ „Hledání temné hmoty získá souhlas vlády USA“. Svět fyziky. 15. července 2014. Citováno 13. února 2020.
  7. ^ A b „Nejcitlivější hledání temné hmoty na světě přichází s prázdnýma rukama“. Hamish Johnston. physicsworld.com (IOP). 22. července 2016. Citováno 13. února 2020.
  8. ^ Akerib, D. (2014). „První výsledky experimentu s temnou hmotou LUX v podzemním výzkumném zařízení v Sanfordu“ (PDF). Dopisy o fyzické kontrole. 112 (9): 091303. arXiv:1310.8214. Bibcode:2014PhRvL.112i1303A. doi:10.1103 / PhysRevLett.112.091303. PMID  24655239. Citováno 30. října 2013.
  9. ^ Hledání temné hmoty je prázdné Fox News, 2013 30. října
  10. ^ Experiment temné hmoty nic nenachází, přináší novinky Konverzace, 1. listopadu 2013
  11. ^ Siegel, Ethan (22. února 2019). „Naděje„ zázraku WIMP “pro temnou hmotu je mrtvá“. Začíná třeskem. Forbes. Citováno 21. června 2019.

externí odkazy

Souřadnice: 44 ° 21'07 "N 103 ° 45'04 "W / 44,352 ° S 103,751 ° Z / 44.352; -103.751