XENON1T -eksperimentelle data fastsætter den strengeste grænse for mørkt stof

Eksperimentelle resultater fra XENON1T detektor for mørkt stof begrænser den effektive størrelse af mørke stofpartikler til 4,1X10-47 kvadratcentimeter-en billioner af en billioner af en centimeter i kvadrat-den strengeste grænse, der endnu er bestemt for mørkt stof, som er fastlagt af verdens mest følsomme detektor.

Resultaterne, præsenteret mandag på et seminar i Italien på Gran Sasso Underground Laboratory (LNGS), blev produceret ved hjælp af et aktivt målvolumen på 1, 300 kg Xenon, den første søgning efter mørkt stof, der har overvåget ækvivalent med et ton xenon i et helt år.

"Vi har nu den strammeste grænse for det, der er kendt som 'WIMP-nukleontværsnittet, 'som er et mål for den effektive størrelse af mørkt stof, eller hvor stærkt det interagerer med normalt stof, "sagde Ethan Brown, medlem af XENON -samarbejdet, og adjunkt i fysik, anvendt fysik, og astronomi ved Rensselaer Polytechnic Institute. "Med disse resultater, Vi har nu testet mange nye teoretiske modeller af mørkt stof og lagt de stærkeste begrænsninger på disse modeller til dato. "

Mørkt stof er teoretiseret som en af ​​de grundlæggende bestanddele i universet, fem gange mere rigeligt end almindeligt stof. Men fordi partiklerne i det mørke stof kendt som "svagt interagerende massive partikler, "eller" WIMP'er, "kan ikke ses og interagerer sjældent med almindeligt stof, deres eksistens er aldrig blevet bekræftet.

Flere astronomiske målinger har bekræftet eksistensen af ​​mørkt stof, hvilket fører til en verdensomspændende indsats for direkte at observere interaktioner mellem mørkt stof og almindeligt stof. Op til i dag, interaktionerne har vist sig så svage, at de er undsluppet direkte påvisning, tvinger forskere til at bygge stadig mere følsomme detektorer.

Siden 2002 har XENON -samarbejdet, med 165 forskere fra 12 lande, har drevet tre efterfølgende mere følsomme flydende xenon -detektorer i LNGS i Italien, og XENON1T er dets hidtil mest magtfulde venture og den største detektor af sin type, der nogensinde er bygget. Partikelinteraktioner i flydende xenon skaber små lysglimt, og detektoren er beregnet til at fange flashen fra den sjældne lejlighed, hvor en partikel i mørkt stof kolliderer med en xenonkerne.

Resultaterne analyserer 279 dages data, ifølge Elena Aprile, en professor ved Columbia University og projektleder. I det tidsrum, kun to baggrundsbegivenheder forventedes i det inderste, det reneste område af detektoren. Imidlertid, ingen hændelser blev fundet, tyder på, at partikler i mørkt stof skal være endnu mindre end tidligere antaget. En del af dataanalysen blev udført på Rensselaer, som forskere fra samarbejdende institutter rundt om i verden mødtes på instituttet sidst i 2018 for at gennemgå data og færdiggøre analyserutiner, der ville fjerne irrelevant information fra de indsamlede data.

Detektorens følsomhed er en funktion af dens størrelse og dens "stilhed". Selvom interaktioner mellem mørkt stof er sjældne, interaktioner med andre former for stof er almindelige, og en følsom detektor er designet til at minimere disse interaktioner. For at beskytte den mod naturlig radioaktivitet i hulen, detektoren (et såkaldt Liquid Xenon Time Projection Chamber) sidder i en kryostat nedsænket i en tank med vand. Et bjerg over det underjordiske laboratorium beskytter yderligere detektoren mod kosmiske stråler.

Selv med afskærmning fra omverdenen, forurenende stoffer siver ind i xenon fra de materialer, der bruges i selve detektoren og, blandt hans bidrag, Brown er ansvarlig for et sofistikeret rensningssystem, der løbende skrubber xenon i detektoren. Efterhånden som størrelsen på detektorer er vokset, det samme har rensningssystemets kompleksitet - der er ikke kun mere xenon at rengøre, men den skal holdes renere, så lys og opladning kan bevæge sig gennem detektorens større volumen. I den nuværende fase, Brown sagde, at hans hold "skalerede op, tilføjer flere pumper og flere rensere "til systemet.

"Vores arbejde har opretholdt et højt renhedsniveau for den største mængde xenon over den længste periode nogensinde, "sagde Brown." Det er en bedrift, der tillader andre eksperimenter at bygge på dette rensningssystems ydeevne. "

I den næste fase, Brown introducerer en ny løsning, en nydesignet pumpe bygget med ultrarene dele i sit laboratorium på Rensselaer i samarbejde med forskere ved Stanford og ved Münster University i Tyskland. Hvor de nuværende pumper bidrager med en tredjedel til halvdelen af ​​det samlede radon i forsøget, de nye pumper vil i det væsentlige være radonfrie, fjernelse af et af de største bidrag til baggrunden.