Nejcitlivější detektor temné hmoty na světě se připojuje k lovu WIMPů

Nejcitlivější detektor temné hmoty na světě je v provozu a je připraven vypořádat se s jednou z nejvíce matoucích záhad vesmíru. Experiment LUX-ZEPLIN (LZ) s citlivostí nejméně 50krát vyšší než jeho předchůdci tiše číhá míli pod zemí a čeká na známky těchto hypotetických částic.

Po větší část století si vědci uvědomili, že naše pozorování vesmíru neodpovídají tomu, co předpovídá Standardní model. Přibývá důkazů o obrovském množství neviditelné hmoty, která ovlivňuje věci, které můžeme vidět prostřednictvím gravitace. Ale frustrující je, že tato takzvaná „temná hmota“ stále uniká přímé detekci.

A není to z nedostatku snahy. V průběhu desetiletí mnoho experimentů hledalo signály různými způsoby, aniž by koukal. Nulové výsledky však nejsou úplným vymýváním – každý z nich pomáhá vyloučit kandidátské částice s určitou hmotností nebo jinými vlastnostmi, čímž se zužuje lovecká půda pro další generaci detektorů temné hmoty.

A nyní pálí nejnovější generace. Experiment LUX-ZEPLIN je, jak název napovídá, nástupcem dvou předchozích experimentů, LUX a ZEPLIN, ale tento je nejméně 50krát citlivější na možné signály temné hmoty než jeho předchůdci.

LZ hledá specifický typ kandidáta na temnou hmotu nazývaný slabě interagující hmotné částice (WIMP), o kterých se předpokládá, že byly vytvořeny v raném vesmíru a dodnes by se tu potulovaly. Pokud ano, interagovaly by s běžnou hmotou prostřednictvím gravitace a slabé jaderné síly, což by produkovalo astronomické anomálie spojené s temnou hmotou.

Jak se pohybují kolem vesmíru, tyto WIMP většinou ignorují normální hmotu a procházejí přímo skrz celé planety a dokonce i nás. Ale občas by člověk měl narazit do jádra atomu a vytvořit signál, který je detekovatelný správným zařízením.

A LZ je to správné vybavení. Experiment zahrnuje obrovské množství atomů, do kterých mohou WIMP narazit, obklopené detektory, které sledují jakékoli takové události. Cílem je nádrž s ultračistým kapalným xenonem, a pokud ji vyruší potulující se WIMP, vydá záblesk světla a uvolní elektron, přičemž oba mohou být zachyceny senzory v nádrži. Zařízení je postaveno 1,5 km (0,9 mil) pod zemí a je uzavřeno ve velké nádrži s vodou, aby chránilo před jinými částicemi, jako jsou neutrony, které produkují falešně pozitivní výsledky.

Vlevo: spolupráce LZ. Vpravo: LZ/SLAC

Toto je stejné základní nastavení, jaké používají LUX a ZEPLIN, ale LZ obsahuje několik nových triků. Jednak je samotná nádrž mnohem větší – tam, kde původní LUX používal 370 kg (816 lb) xenonu pro aktivní detekci, LZ obsahuje 7 tun (7,7 tuny), což výrazně zvyšuje její citlivost.

Aby bylo možné oddělit události vytvořené nudnými starými částicemi od potenciálně převratných detekcí WIMP, obsahuje vnější nádrž na vodu také nové pole senzorů, které dokážou detekovat, když známé částice pronikají skrz. Tímto způsobem lze všechny události v xenonu, které jsou doprovázeny signály ve vodě, vyloučit jako detekci temné hmoty.

Matěj Kapust

Díky těmto pokrokům je LZ více než 50krát citlivější než předchozí experimenty a umožňuje mu získat současný titul nejcitlivějšího detektoru temné hmoty na světě.

LZ fungovala po dobu 60 dnů v testovacím provozu počínaje prosincem 2021 a během této doby nezjistila žádný přebytek událostí nad očekávaný hluk na pozadí. To je ale jen začátek, přičemž se očekává, že experiment bude sbírat data za 1000 dní za dobu své existence.

Možná, že až to bude hotové, možná budeme mít konečně odpověď na tuto vesmírnou záhadu.

Údaje z testovacího provozu byly zveřejněny v předtiskovém článku na ArXiv.

Zdroje: Sanford Underground Research Facility, LUX-ZEPLIN, Imperial College London