XENON1T experimentelle Daten legen die strengste Grenze für dunkle Materie fest

Josef M. Gaßner (Februar 2019).

Anonim

Experimentelle Ergebnisse des XENON1T-Detektors für dunkle Materie begrenzen die effektive Größe von Dunkle-Materie-Teilchen auf 4, 1 × 10 -47 Quadratzentimeter - ein Billionstel von einem Billionstel eines Quadratzentimeters - die bisher strengste Grenze für dunkle Materie, wie sie von der Welt etabliert wurde empfindlichster Detektor.

Die Ergebnisse, die am Montag in einem Seminar in Italien im Gran Sasso Underground Laboratory (LNGS) vorgestellt wurden, wurden mit einem aktiven Zielvolumen von 1300 Kilogramm Xenon hergestellt. Dies ist die erste Suche nach Dunkler Materie, die für eine Tonne Xenon gemessen hat ein ganzes Jahr.

"Wir haben nun die engste Grenze für den so genannten WIMP-Nukleon-Wirkungsquerschnitt, der ein Maß für die effektive Größe der dunklen Materie oder für die Wechselwirkung mit normaler Materie ist", sagt Ethan Brown, Mitglied von die XENON Collaboration und Assistenzprofessor für Physik, angewandte Physik und Astronomie am Rensselaer Polytechnic Institute. "Mit diesen Ergebnissen haben wir nun viele neue theoretische Modelle der Dunklen Materie getestet und diese Modelle bisher am stärksten eingeschränkt."

Dunkle Materie wird als einer der grundlegenden Bestandteile des Universums theoretisiert, fünfmal häufiger als gewöhnliche Materie. Aber weil die Teilchen der dunklen Materie, die als "schwach wechselwirkende massive Teilchen" oder "WIMPs" bekannt sind, nicht gesehen werden können und selten mit gewöhnlicher Materie interagieren, wurde ihre Existenz nie bestätigt.

Mehrere astronomische Messungen bestätigten die Existenz von Dunkler Materie und führten zu weltweiten Bemühungen, Wechselwirkungen zwischen Dunkler Materie und gewöhnlicher Materie direkt zu beobachten. Bis jetzt haben sich die Interaktionen als so schwach erwiesen, dass sie der direkten Erkennung entgangen sind, was Wissenschaftler dazu zwingt, immer empfindlichere Detektoren zu bauen.

Seit 2002 betreibt die XENON Collaboration mit 165 Wissenschaftlern aus 12 Ländern drei zunehmend empfindlichere Flüssig-Xenon-Detektoren in LNGS in Italien, und XENON1T ist sein bis dato leistungsstärkstes Unternehmen und der größte jemals gebaute Detektor seiner Art. Teilchenwechselwirkungen in flüssigem Xenon erzeugen winzige Lichtblitze, und der Detektor soll den Blitz von der seltenen Gelegenheit abfangen, bei der ein Teilchen der dunklen Materie mit einem Xenonkern kollidiert.

Die Ergebnisse analysieren 279 Tage Daten, nach Elena Aprile, Professor an der Columbia University und Projektleiter. Während dieser Zeit wurden nur zwei Hintergrundereignisse im innersten, saubersten Bereich des Detektors erwartet. Es wurden jedoch keine Ereignisse detektiert, was nahelegt, dass Partikel dunkler Materie noch kleiner sein müssen als bisher angenommen. Ein Teil der Datenanalyse wurde in Rensselaer durchgeführt, da Wissenschaftler aus kooperierenden Instituten auf der ganzen Welt Ende 2018 am Institut einberufen wurden, um Daten zu überprüfen und Analyse-Routinen abzuschließen, die irrelevante Informationen aus den gesammelten Daten eliminieren.

Die Empfindlichkeit des Detektors ist eine Funktion seiner Größe und seiner "Stille". Obwohl Interaktionen mit dunkler Materie selten sind, sind Wechselwirkungen mit anderen Formen von Materie üblich, und ein empfindlicher Detektor ist so konstruiert, dass diese Wechselwirkungen minimiert werden. Um ihn vor natürlicher Radioaktivität in der Kaverne zu schützen, sitzt der Detektor (eine sogenannte Flüssig-Xenon-Zeitprojektionskammer) innerhalb eines Kryostats, der in einen Wassertank eingetaucht ist. Ein Berg über dem unterirdischen Labor schirmt den Detektor zusätzlich vor kosmischen Strahlen ab.

Auch bei Abschirmung von außen sickern Schadstoffe aus den im Detektor verwendeten Materialien in das Xenon ein. Brown ist unter anderem für ein ausgeklügeltes Reinigungssystem verantwortlich, das das Xenon im Detektor kontinuierlich schrubbt. Mit der Größe der Detektoren wächst auch die Komplexität des Reinigungssystems. Es muss nicht nur mehr Xenon gereinigt werden, sondern es muss sauberer gehalten werden, damit sich Licht und Ladung durch das größere Volumen des Detektors bewegen können. In der aktuellen Phase sagte Brown, sein Team "skaliert und fügte mehr Pumpen und mehr Reiniger" zum System hinzu.

"Unsere Arbeit hat für die größte Menge an Xenon über den längsten Zeitraum hinweg einen hohen Reinheitsgrad beibehalten", sagte Brown. "Es ist eine Leistung, die es anderen Experimenten erlaubt, auf der Leistungsfähigkeit dieses Reinigungssystems aufzubauen."

In der nächsten Phase wird Brown in seinem Labor in Rensselaer in Zusammenarbeit mit Forschern aus Stanford und der Universität Münster eine neue Lösung vorstellen, eine neu konstruierte Pumpe mit ultrareinen Teilen. Wenn die derzeitigen Pumpen im Experiment ein Drittel bis zur Hälfte des gesamten Radons beitragen, sind die neuen Pumpen im Wesentlichen radonfrei und entfernen einen der größten Beiträge zum Hintergrund.

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