В поисках темной материи коллаборация XENON не нашла абсолютно ничего необычного. Вот почему это выдающийся подвиг.
Ключевые выводы
- Когда вы пытаетесь обнаружить что-то, чего никогда раньше не видели, легко обмануть себя, думая, что вы нашли то, что ищете.
- Гораздо труднее быть осторожным, точным и безупречным, а также устанавливать самые большие ограничения на то, что исключено и что остается возможным.
- В попытке напрямую обнаружить темную материю коллаборация XENON только что побила все предыдущие рекорды, приблизив нас, чем когда-либо, к пониманию того, чем темная материя может и не может быть на самом деле.
Более 100 лет назад основы физики были брошены в полный хаос экспериментом, который абсолютно ничего не измерял. Зная, что Земля движется в космосе, вращаясь вокруг своей оси и вокруг Солнца, ученые посылали лучи света в двух разных направлениях - один вдоль направления движения Земли, а другой перпендикулярно ему - и затем отражали их обратно в исходную точку. точку, рекомбинируя их по прибытии. Какой бы сдвиг ни вызвало движение Земли в этом свете, он будет запечатлен в рекомбинированном сигнале, что позволит нам определить истинную «систему покоя» Вселенной.
И тем не менее, абсолютно никакого сдвига не наблюдалось. Эксперимент Майкельсона-Морли, несмотря на достижение «нулевого результата», в конечном итоге изменит наше понимание движения во Вселенной, что приведет к преобразованиям Лоренца и специальной теории относительности. Только добившись такого качественного и точного результата, мы могли узнать, что Вселенная делала и чего не делала.
Сегодня мы понимаем, как распространяется свет, но остаются другие, более трудные для решения загадки, например, выяснение природы темной материи. Своими последними, лучшими результатами коллаборация XENON побила собственный рекорд чувствительности к тому, как темная материя может взаимодействовать с материей на основе атома. Несмотря на «нулевой результат», это один из самых захватывающих результатов в истории экспериментальной физики. Вот наука почему.
Структуры темной материи, которые формируются во Вселенной (слева), и видимые галактические структуры, возникающие в результате (справа), показаны сверху вниз в холодной, теплой и горячей Вселенной из темной материи. Из наблюдений, которые у нас есть, по крайней мере 98%+ темной материи должно быть либо холодным, либо теплым; горячее исключено. Наблюдения за многими различными аспектами Вселенной в различных масштабах косвенно указывают на существование темной материи.
Косвенно доказательства существования темной материи исходят из астрофизических наблюдений за Вселенной и абсолютно неопровержимы. Поскольку мы знаем, как работает гравитация, мы можем рассчитать, сколько материи должно присутствовать в различных структурах - отдельных галактиках, в парах взаимодействующих галактик, в скоплениях галактик, распределенных по всей космической паутине и т. д. - чтобы объяснить наблюдаемые нами свойства.. Обычной материи во Вселенной, состоящей из таких вещей, как протоны, нейтроны и электроны, просто недостаточно. Должна существовать какая-то другая форма массы, не описываемая Стандартной моделью, чтобы Вселенная вела себя так, как мы на самом деле наблюдаем.
Косвенные обнаружения невероятно информативны, но физика - наука с большими амбициями, чем просто описание того, что происходит во Вселенной. Вместо этого мы надеемся понять детали каждого взаимодействия, которое происходит, что позволит нам с большой точностью предсказать, каким будет результат любой экспериментальной установки. Для проблемы темной материи это означало бы понимание специфических свойств того, что именно составляет темную материю в нашей Вселенной, включая понимание того, как она взаимодействует: сама с собой, со светом и с обычным атомом. на основе материи, из которой состоят наши собственные тела здесь, на Земле.
Детектор XENON с низкофоновым криостатом установлен в центре большого водяного экрана для защиты прибора от фона космических лучей. Эта установка позволяет ученым, работающим над экспериментом XENON, значительно уменьшить фоновый шум и более уверенно обнаруживать сигналы от процессов, которые они пытаются изучить. XENON занимается поиском не только тяжелой, вимповоподобной темной материи, но и других форм потенциальной темной материи и темной энергии.
Коллаборация XENON уже много лет проводит эксперименты, пытаясь - очень специфическим образом - напрямую обнаружить темную материю. Идея эксперимента XENON в принципе очень проста и может быть объяснена всего за несколько шагов.
- Шаг 1: Создайте нетронутую цель для потенциального взаимодействия с темной материей. Они выбрали большое количество атомов ксенона, поскольку ксенон является благородным газом (химически неактивным) с большим количеством протонов и нейтронов в ядре.
- Шаг 2: Защитите эту цель от всех потенциальных источников загрязнения, таких как радиоактивность, космические лучи, атмосферные явления, Солнце и т. д. Они делают это, строя детектор глубоко под землей и устанавливая серию сигналов «вето» для удаления известных загрязнителей.
- Шаг 3: Создайте детектор, чрезвычайно чувствительный к любым сигналам, которые могут исходить от процесса, за которым вы хотите наблюдать. В случае этого эксперимента это то, что известно как камера проекции времени, где столкновение между атомом ксенона и любой частицей создаст след, похожий на след, который можно реконструировать. Конечно, частицы темной материи - не единственная сигнатура, которая появится, поэтому следующим шагом будет…
- Шаг 4: Точно изучите оставшийся фон. Всегда будут сигналы, которые вы не сможете удалить: нейтрино от Солнца, естественная радиоактивность окружающей Земли, мюоны космических лучей, которые проходят весь путь через Землю, и т. д. Важно их количественно определить и понять, чтобы их можно правильно учесть.
- Шаг 5: А затем, измеряя любой сигнал, который появляется и выступает над фоном, определите, какие остаются возможности для того, как темная материя может взаимодействовать с вашим целевым материалом.
Фотоумножители на краю мишени эксперимента XENON (с более ранней итерацией XENON100, показанной здесь) необходимы для восстановления событий и их энергий, которые произошли внутри детектора. Хотя большинство обнаруженных событий согласуются только с фоном, в 2020 году был замечен необъяснимый избыток низких энергий, который разбудил воображение многих.
Истинная красота эксперимента XENON заключается в том, что он по замыслу является масштабируемым. С каждой последующей итерацией эксперимента XENON они увеличивали количество ксенона, присутствующего в детекторе, что, в свою очередь, увеличивает чувствительность эксперимента к любому взаимодействию, которое может присутствовать между темной материей и нормальной материей. Если хотя бы 1 из 100 000 000 000 000 000 000 атомов ксенона столкнулся бы с частицей темной материи в течение года, что привело бы к обмену энергией и импульсом, эта установка была бы в состоянии обнаружить это.
Со временем коллаборация XENON перешла от килограммов к сотням килограммов, к тонне, а теперь к 5,9 тоннам жидкого ксенона в качестве «цели» в эксперименте. (Именно поэтому текущая итерация эксперимента известна как XENONnT, потому что это модернизация до «n» тонн ксеноновой мишени, где n теперь значительно больше 1.) Одновременно с каждой последующей модернизацией эксперимента они Нам также удалось уменьшить то, что они называют «экспериментальным фоном», за счет лучшего понимания, количественной оценки и защиты детектора от мешающих сигналов, которые могут имитировать потенциальную сигнатуру темной материи.
Поиск частиц темной материи привел нас к поиску вимпов, которые могут отталкиваться вместе с атомными ядрами. Коллаборация LZ (современный конкурент коллаборации XENON) обеспечит наилучшие ограничения на сечения вимпов-нуклонов из всех, но, возможно, не так хороша в выявлении низкоэнергетических кандидатов, как XENON..
Одним из замечательных свойств экспериментов коллаборации XENON является то, что они чувствительны к потенциальным сигналам, которые охватывают более одного миллиона раз с точки зрения энергии и массы. Темная материя, хотя мы знаем (из косвенных астрофизических данных), сколько ее должно присутствовать во Вселенной, может принимать форму:
- большое количество частиц малой массы,
- умеренное количество частиц средней массы,
- меньшее количество частиц большой массы,
- или очень небольшое количество чрезвычайно массивных частиц.
Из косвенных ограничений это может быть любой из них. Но одним из преимуществ экспериментов по прямому обнаружению является то, что количество энергии и импульса, которые будут переданы одиночному атому ксенона в результате столкновения, различаются в зависимости от массы ударяющей его частицы.
Другими словами, построив наш детектор таким образом, чтобы он был чувствителен как к энергии, полученной атомом ксенона от столкновения, так и к импульсу, полученному атомом ксенона от столкновения, мы можем определить, какова природа (и масса покоя) столкнувшейся с ней частицы была.
На этом изображении показаны внутренности прототипа Time Projection Camera (TPC), одного из наиболее важных инструментов для обнаружения отдачи и столкновений в очень чувствительных экспериментах по физике элементарных частиц. Это основные технологии для экспериментальных усилий по обнаружению темной материи и нейтрино, но если кошмарный сценарий для темной материи верен, никакие события, раскрывающие темную материю, никогда не будут обнаружены.
Это действительно важно, потому что, хотя у нас есть некоторые теоретически предпочтительные модели того, чем может быть темная материя, эксперименты делают гораздо больше, чем просто исключают или подтверждают определенные модели. Глядя туда, куда мы никогда раньше не заглядывали - с большей точностью, в более чистых условиях, с большим числом статистических данных и т. д. - мы можем наложить ограничения на то, чем может и не может быть темная материя, независимо от того, что предсказывает любое количество теоретических моделей. И эти ограничения применимы как к возможностям темной материи с очень малой массой, так и к возможностям с очень большой массой; эксперименты XENON настолько хороши во всех отношениях.
Насколько нам известно о Вселенной, помимо того, что уже установлено, физика всегда является экспериментальной и наблюдательной наукой. Где бы ни заканчивались наши теоретические знания, мы всегда должны полагаться на эксперименты, наблюдения и измерения Вселенной, которые помогут нам двигаться вперед. Иногда вы находите нулевые результаты, которые дают нам еще более жесткие ограничения на то, что все еще разрешено, чем когда-либо прежде. Иногда вы обнаруживаете, что действительно что-то обнаружили, и это приводит к дальнейшему расследованию, чтобы выяснить, действительно ли то, что вы обнаружили, является тем сигналом, который вы ищете, или требуется более глубокое понимание вашего прошлого. А иногда вы обнаруживаете что-то совершенно неожиданное, что во многих отношениях является лучшим исходом, на который можно надеяться.
Бесспорно, что в коллаборации XENON1T произошли события, которые нельзя объяснить только ожидаемым фоном. Три объяснения, по-видимому, соответствуют данным: примеси трития и солнечные аксионы (или их комбинация) лучше всего соответствуют данным. Объяснение магнитного момента нейтрино имеет и другие ограничения, которые сильно его не одобряют.
Всего два года назад, работая с предыдущим воплощением эксперимента XENON (XENON1T), возник небольшой сюрприз: с тем, что было тогда самым чувствительным усилием прямого обнаружения темной материи, избыток события наблюдались при особенно низких энергиях: около 0.5% массы покоя эквивалентны электрону. В то время как некоторые люди сразу же приходили к самым диким выводам, какие только можно себе представить, - что это какой-то экзотический тип темной материи, такой как псевдоскаляр или векторная бозоноподобная частица, - экспериментальное сотрудничество было гораздо более взвешенным и ответственным.
Они, конечно, говорили об экзотических возможностях, включая солнечные аксионы и возможность того, что нейтрино обладают аномальным магнитным моментом, но они также позаботились о том, чтобы учесть ранее существовавшие ограничения на такие сценарии. Они говорили о возможности того, что сигнал был вызван до сих пор неучтенным фоновым источником загрязнения, причем одним из интересных источников был тритий в окружающей чистой воде. (Для масштаба эксперимента, который включал около ~1028 атомов ксенона в то время, всего несколько тысяч молекул трития могли вызвать этот сигнал..)
Но сотрудничество XENON на этом не остановилось. Они сделали своим приоритетом более качественную количественную оценку и уменьшение своего фона, и знали, что следующая итерация их эксперимента навсегда ответит на вопрос.
Новейшие результаты итерации XENONnT коллаборации XENON ясно показывают улучшение фона примерно в 5 раз по сравнению с XENON1T и полностью уничтожают любые доказательства избыточного низкоэнергетического сигнала, которые наблюдались ранее. Это грандиозный триумф экспериментальной физики.
Сейчас, в 2022 году, несмотря на более чем двухлетнюю глобальную пандемию, коллаборация XENON сверкает. Они настолько успешно уменьшили свой фон, что он улучшился примерно в 5 раз по сравнению с тем, что было всего два года назад: почти неслыханное улучшение для эксперимента такого масштаба. Свободные нейтроны, один из величайших источников загрязнения, были определены и изучены лучше, чем когда-либо, и команда разработала совершенно новую систему для исключения такого типа фона.
Вместо того, чтобы охотиться за «призраками в машине», которые могли присутствовать в их последней попытке, они просто усвоили уроки и на этот раз отлично справились.
Результаты?
Проще говоря, они показали, что то, что вызывало небольшой избыток при низких энергиях в предыдущем эксперименте, не было сигналом, который повторялся в этой итерации, полностью демонстрируя, что это было частью нежелательного фона, а не сигнал о попадании частицы нового типа в ядро ксенона в их аппарате. На самом деле фон, который действительно остается, настолько хорошо изучен, что теперь в нем преобладают слабые распады второго порядка: либо ядро ксенона-124 захватывает два электрона одновременно, либо ядро ксенона-136 видит, как два ее нейтрона радиоактивно распадаются при один раз.
Ксенон, атом, состоит из множества различных изотопов. Два из них, Xe-124 и Xe-136, демонстрируют двойные слабые распады, и эти редкие события сейчас доминируют над низкоэнергетическим фоном в эксперименте коллаборации XENON, проводящем XENONnT в 2022 году.
Все это вместе означает три вещи для эксперимента.
- Коллаборация XENON побила рекорд - заметьте, их собственный рекорд - в самом чувствительном эксперименте по прямому обнаружению темной материи из когда-либо проводившихся. Никогда еще так много частиц не содержалось в таких чистых условиях, и их свойства не измерялись с такой точностью во времени. Многие другие участники сотрудничества, участвующие в поиске частиц темной материи, должны смотреть на XENON как на пример того, как делать это правильно.
- Идея о том, что XENON в 2020 году обнаружила что-то новое, что может указывать на новую физику, наконец была опровергнута никем иным, как самой коллаборацией XENON. Были сотни, если не тысячи, теоретических статей, пытавшихся придумать множество диких объяснений того, чем может быть избыток, но ни одна из них не продвинула наше понимание Вселенной даже на самую малость. Решение пришло экспериментальным путем, еще раз продемонстрировав силу качественного эксперимента.
- И когда дело доходит до вопроса о темной материи, эти последние результаты коллаборации XENON дали нам, по широкому спектру показателей, самые жесткие ограничения на то, какие свойства частиц массивной темной материи частицам по-прежнему разрешено иметь, но они по-прежнему согласуются с этим экспериментом.
Во всех отношениях это впечатляющая победа в попытках прямого обнаружения лучше понять Вселенную.
Этот четырехпанельный график показывает ограничения на солнечные аксионы, на магнитный момент нейтрино и на два разных «вкуса» кандидата в темную материю, все они ограничены последними результатами XENONnT. Это лучшие подобные ограничения в истории физики, и они замечательно демонстрируют, насколько хорошо сотрудничество XENON достигло того, что они делают.
Возможно, лучшая особенность из всех заключается в том, насколько скрупулезно коллаборация XENON провела это исследование: они провели полностью слепой анализ. Это означает, что они тщательно вели все свои расчеты относительно своих ожиданий и понимания, прежде чем смотреть данные, и просто передавали эти данные, когда наступал критический момент. Когда они «расслепили» себя и увидели результаты, увидели, насколько низким был их фон, насколько хорошим был их сигнал и как предыдущие «подсказки» просто не появлялись в новейших данных, они поняли, что решили свои предыдущие проблемы.. Это бешеная победа экспериментальной физики и неоспоримая победа научного процесса.
Есть много людей - даже некоторые ученые - которые порицают «нулевые результаты» как не важные для науки, и это люди, которых нужно держать как можно дальше от экспериментальной физики любой ценой. Физика была и всегда будет экспериментальной наукой, и ее границы всегда находятся за пределами того, куда мы наиболее успешно смотрели. У нас нет возможности узнать, что находится за известными границами, но всякий раз, когда мы можем смотреть, мы делаем это, поскольку наше любопытство не может быть удовлетворено простым понтификацией. Вселенная находится не только там, где мы можем ее исследовать, но и прямо здесь: внутри каждой субатомной частицы на Земле. Благодаря новому набору результатов XENON только что вывел науку о поиске новых частиц в область, в которой она никогда не была раньше: туда, где идеи, которые можно было вообразить только несколько лет назад, теперь исключены экспериментально., и многое другое еще впереди.