Починаючи з 1960-х років, вчені теоретизували, що Всесвіт наповнений загадковою, невидимою масою. Відома як "темна матерія", ця маса, як оцінюється, становить приблизно 85% речовини у Всесвіті і чверть його енергетичної щільності. Незважаючи на те, що ця маса опосередковано спостерігається і вивчається, всі спроби визначити її справжню природу поки що не вдалися.
Для вирішення цього питання проводяться численні експерименти, які покладаються на надзвичайно складні інструменти. Один із них, названий XENON, нещодавно спостерігав процес, який раніше уникав численних спроб виявлення. Ці результати можуть допомогти вченим вдосконалити своє розуміння нейтрино, яке, як вважають деякі вчені, складається з темної речовини.
Результати (XENON1T) з'явилися як частина дослідження, яке нещодавно було опубліковане в журналі Природа. XENON - це спільний експериментальний проект близько 160 вчених з Європи, США та Близького Сходу. В даний час очолює професор Олена Априль з Колумбійського університету, а керується Національною лабораторією Гран Сассо (СПГС) в Італії.
Як і інші експерименти з темною речовиною, вона спрямована на виявлення кандидатних частинок темної речовини, відомих як слабо взаємодіючі масивні частинки (WIMPS). З цією метою споруда розташована глибоко під землею, щоб уникнути перешкод з боку інших джерел нейтрино (до яких належать Сонячні нейтрино, які регулярно створюються нашим Сонцем та космічні нейтрино).
У випадку експерименту XENON це передбачає спостереження за камерою, наповненою рідиною Ксенон-124, для ознак взаємодії частинок. Ці ознаки послужать першими в історії прямими експериментальними свідченнями частинок кандидата темної речовини. І хоча їх перший набір результатів не підтвердив існування темної матерії, він вперше спостерігав розпад атомних ядер Ксенон-124.
З ряду причин це було величезним досягненням. Окрім того, що спочатку був історичним, період напіввиведення, виміряний для Ксенон-124, приблизно в трильйон разів більший за вік самого Всесвіту (13,8 мільярда років). Це робить радіоактивний розпад, який вони спостерігали - так званий подвійний захоплення електронів Ксенон-124 - найрідкісніший процес, який коли-небудь спостерігався в детекторі.
Як пояснив у прес-релізі XENON професор Крістіан Вайнхаймер - університет Мюнстера, група якого керувала дослідженням:
"Те, що нам вдалося спостерігати за цим процесом, прямо показує, наскільки потужним є наш метод виявлення - також для сигналів, які не з темної матерії".
Щоб зруйнувати цей процес, атом Ксенон-124 складається з 54 протонів і 70 нейтронів, які оточені атомними оболонками з 54 електронами. У процесі, відомому як подвійне захоплення електронів, два протони в ядрі одночасно «вловлюють» два електрони з найглибшої оболонки, перетворюють їх на два нейтрони і виплювають два нейтрино.
Потім інші електрони реорганізуються, щоб заповнити проміжок, створений у найпотаємнішій оболонці, при цьому енергія вивільняється у вигляді рентгенівських променів і так званих "шнекових електронів". Однак ці сигнали дуже важко виявити, оскільки процес дуже рідкісний і прихований від природної радіоактивності. Тим не менш, співробітництво XENON вдалося зробити лише завдяки цілому році спостережень за їхніми інструментами.
Рентгенівські промені, що випромінюються в результаті подвійного захоплення електронів, видавали світловий сигнал у рідкому ксеноні, а також у вільних електронах. Потім ці електрони рухалися до заповненої газом верхньої частини сповіщувача, де вони видавали другий світловий сигнал, і різниця в часі між цими двома випадками відповідала часу, який потрібен електронам, щоб досягти вершини детектора.
Команда науки використовувала цей інтервал і датчики камери для реконструкції положення подвійного захоплення електронів, тоді як сила сигналу використовувалася для вимірювання кількості енергії, що виділяється. Це забезпечило вчених засобами для визначення неймовірно тривалого періоду напіввиведення ксенону, який вони обчислили до 1,8 × 10²² років.
Ці результати ефективно демонструють здатність детекторів XENON виявляти рідкісні процеси при відхиленні фонових сигналів. Нові результати також можуть дати можливість подальших досліджень нейтрино, які є найлегшими з усіх елементарних частинок і досі не вивчені повністю. Сюди входить маса нейтрино, яка ще не є достатньо обмеженою.
Як християнин
«Це доводить, що ця технологія детекторів XENON, яку ми використовуємо для темної речовини, набагато універсальніша. Ми отримуємо всі ці круті аналізи ... безкоштовно після того, як побудували експеримент, достатньо чутливий для полювання на темну речовину ".
Проведення спостереження XENON1T збирало дані у період з 2016 року до грудня 2018 року, після чого його було відключено для оновлення. Як тільки вони будуть завершені, науковий колектив почне проводити наступний етап спостережень. Відома як "XENONnT", ця фаза матиме активну масу детектора в три рази більше, ніж перший експеримент.
Разом з оновленнями, призначеними для зменшення фонових перешкод, детектор матиме рівень чутливості на кілька порядків вище. На цьому етапі ми можемо очікувати, що експеримент засвітить ще яскравіше світло на темних областях Всесвіту.
