Краткая история астрономии. Том 11. Темная материя - Владимир Анатольевич Моисеев

               За период с 2007 по 2008 годы в рамках экспериментов удалось зарегистрировать два события, которые можно расценить как случаи регистрации вимп-частиц. При этом прогнозируемая вероятность регистрации подобных событий была оценена в пять событий за два года.

Рис. Детектор CDMS

Глава 11-11-7

В Канаде начали строить самый точный детектор темной материи

Май 2018

               В канадской подземной физической лаборатории SNOLAB началось сооружение установки SuperCDMS, предназначенной для поиска массивных частиц темной материи. С помощью нового детектора можно будет искать частицы в недоступном ранее диапазоне от одного до десяти масс протона, а точность SuperCDMS в 50 раз превысит точность предыдущей версии, что делает его одним из самых чувствительных детекторов по поиску темной материи. О начале постройки детектора сообщает пресс-релиз Национальной ускорительной лаборатории SLAC, одного из партнеров проекта.

               Напрямую подтвердить существование частиц темной материи ученые до сих пор не смогли. Правда, в 2010 году группа CDMS сообщала о регистрации одной частицы темной материи, однако статистическая значимость этого измерения была невысока, и в дальнейшем оно не подтвердилось.

               Ученые не теряют надежды и продолжают совершенствовать экспериментальные установки, призванные регистрировать частицы темной материи. В частности, о постройке нового детектора сообщает группа CDMS. Предыдущая версия разработанной ими установки состояла из 30 полупроводниковых кремний-германиевых детекторов размером с хоккейную шайбу, охлажденных до температуры около 0,6 кельвинов, и находилась на глубине чуть менее четырехсот метров в подземной шахте Судан в национальном парке Минессоты, чтобы снизить фоновый сигнал от нейтрино и космических частиц.

               Когда гипотетические массивные частицы темной материи (вимпы) пролетают через такую шайбу, они могут столкнуться с атомами кристаллической решетки и заставить их колебаться (такие колебания удобно описывать с помощью квазичастиц — фононов); кроме того, они могут ионизировать вещество, то есть выбить из него электроны. Оба этих эффекта легко отследить — сигнал ионизации можно считывать с помощью усилителей на полевых транзисторах, а фононы удобно отлавливать с помощью сверхпроводящих датчиков краевых переходов, основанных на сверхпроводящих квантовых интерферометрах (СКВИДах).

               К сожалению, частицы темной материи невероятно редко взаимодействуют с частицами Стандартной модели, и точности предыдущей версии установки не хватило, чтобы достоверно зарегистрировать хотя бы одно событие, отвечающее рассеянию вимпов. На этот раз ученые планируют охладить кремний-германиевые детекторы до еще более низкой температуры около 0,1 кельвина и увеличить их объем более чем в два раза, доведя радиус шайбы до десяти сантиметров. Кроме того, новая установка, получившая название SuperCDMS. сможет вместить 31 ряд, в каждом из которых помещается шесть детекторов, что позволит значительно ускорить поиски (правда, первые несколько лет на ней будет работать только четыре ряда). Наконец, SuperCDMS будет находиться не в шахте Судан, а в подземной лаборатории комплекса SNOLAB, оставшейся после экспериментов по поиску нейтрино и расположенной на глубине более двух километров. Таким образом, установка будет лучше защищена как от тепловых флуктуаций, так и от космического фона, который мешает отделить события, отвечающие рассеянию вимпов, от событий, связанных с другими частицами.

nplus1.ru, 8 мая 2015, Дмитрий Трунин

https://nplus1.ru/news/2018/05/08/SuperCDMS

Глава 11-11-8

Проект XENON 

XENON — исследовательский проект по изучению темной материи, который проводится в лаборатории Гран Сассо в Италии. Исследовательская лаборатория находится глубоко под землей, где ученые ставят эксперименты, пытаясь выявить и исследовать частицы темной материи. Считается, что эти слабо взаимодействующие массивные частицы (англ. Weakly interacting massive particles Weakly interacting massive particles — WIMP) можно обнаружить, если фиксировать жидкие ядерные распады и возмущения в закрытой камере, наполненной ксеноном.

               Эксперимент обнаруживает сцинтилляции и ионизации, которые возникают в результате взаимодействия частиц с жидким ксеноном, что дает возможность выявить прохождения реакций ядерного распада. Во главе группы итальянский физик — профессор колумбийского университета Елена Априле.

               В эксперименте XENON используется двухфазная время-проекционная камера, которая в нижней части заполнена жидким ксеноном, а в верхней — газообразным. Две матрицы фотоэлектронных умножителей (ФЭУ), один наверху детектора, где вещество в газообразном состоянии (GXe), а другой — под жидким слоем ксенона (LXe), обеспечивают детектирование сцинтилляций, когда заряженные частицы взаимодействуют с веществом в детекторе.

               Ожидается, что искомые заряженные частицы, которые пролетают через детектор, будут взаимодействовать и с электронами атомов ксенона, и с самими ядрами атомов ксенона. Теория гласит, что частица темной материи, которая ударит по атомам в резервуаре, высвободит фотоны и электроны, которые можно будет зафиксировать в виде вспышек света. Такие сигналы впервые были зафиксированы 16 июня 2020, они могут стать подтверждением существования темной материи.

XENON10

               Эксперимент XENON10 проводился в подземной лаборатории Гран-Сассо в течение марта 2006 года. Подземное размещение лаборатории обеспечило экранирование, эквивалентное слою воды толщиной 3100 метров. Кроме того, сам детектор был дополнительно экранирован, чтобы ещё уменьшить фоновый шум на ВПК. Вообще XENON10 расценивался как прототип детектора, основным его назначением было доказать эффективность самой концепции XENON, а также проверить достижимость тех или иных предельных значений, чувствительность и фоновую мощность. Детектор XENON10 содержал 15 килограмм жидкого ксенона. Размеры чувствительного объёма ВПК составляли 20 см в диаметре и 15 см в высоту.

XENON100

               Криостат и экран XENON100. Экран состоит из внешней оболочки, наполненной водой толщиной 20 см, затем 20 см свинцовой обложки, затем 20 см полиэтилена и внутренней оболочки с 5-см слоем меди.

Вторая фаза детектора под названием XENON100 содержала уже 165 кг жидкого ксенона, из которых 62 кг приходилось на область мишени, а все остальное приходилось на «active veto» сенсор. ВПК имела 30 см в диаметре и 30 см высотой.

XENON1T

Рис. XENON1T

               Строительство третьей фазы под названием XENON1T началось в зале B (Hall B) Гран-Сассо в 2014 году. Проект детектора предусматривает 3,5 тонн ультра радио-очищенного жидкого ксенона, из которых на область мишени будет приходиться более 1 тонны. Детектор помещен в наполненную водой оболочку высотой 10 метров, которая будет выполнять роль «мюонного вето». ВПК будет иметь 1 м в диаметре и столько же в высоту.

               На детекторе планируется изучить и протестировать некоторые теоретические модели, которые являются кандидатами на суперсимметрию.