XENON bendradarbiavimas
Be tamsiosios materijos ieškojimo, mokslininkai iš tarptautinio XENON bendradarbiavimo, apimančio 3 CNRS / IN2P3 laboratorijas, padarė stebėtiną atradimą. Savo XENON1T detektoriuje jie pirmą kartą stebėjo ksenon-124 atomų skilimą. Ypač retas įvykis, nes šio branduolio pusinės eliminacijos laikas, laikas, reikalingas pusei mėginio branduolių suirti, buvo įvertintas milijonu milijardų kartų didesniu nei visatos amžius. „Nature“ paskelbtas pasaulio rekordas.
Visatos amžius yra apie 13 milijardų metų, tai neįsivaizduojamas laikas pagal žmogaus standartus – vis dėlto, palyginti su kai kuriais fiziniais procesais, tai tik trumpas momentas. Yra radioaktyvių branduolių, kurie skyla daug ilgesnėmis laiko skalėmis. Tarptautinė mokslininkų komanda tiesiogiai matavo ilgiausią pusinės eliminacijos periodą. Naudodami XENON1T detektorių, daugiausia naudojamą tamsiosios medžiagos tyrimams, mokslininkai pirmą kartą galėjo stebėti Xenon-124 atomų skilimą. Proceso pusperiodis yra laikas, po kurio pusė mėginio radioaktyviųjų atomų sunyko. Išmatuotas „Xenon-124“ pusinės eliminacijos laikas yra maždaug milijoną milijardų kartų ilgesnis nei amžiaus visata – pasaulio rekordas. Dėl to pastebėtas radioaktyvus skilimas vadinamasdvigubas elektroninis fiksavimasXenon-124, rečiausias procesas, pastebėtas visatoje. „Tai, kad mes galėjome stebėti šį procesą, tiesiogiai parodo, koks galingas yra mūsų aptikimo metodas, įskaitant signalus, kurie sklinda ne iš tamsiosios medžiagos“, sako profesorius Christianas Weinheimeris iš Miunsterio universiteto (Vokietija), kur didžioji dalis tyrimo buvo padaryta. Be to, naujajame rezultate taip pat pateikiama informacija apie tolesnius neutrino tyrimus – lengviausius iš visų elementariųjų dalelių, kurių prigimtis dar nėra iki galo suprasta. „XENON1T“ yra bendras eksperimentinis projektas, kuriame dalyvauja apie 160 mokslininkų iš Europos, JAV ir Artimųjų Rytų.). Rezultatai buvo paskelbti mokslo žurnale „Nature“. Didelius materialinius išteklius Prancūzijos komandos skyrė dėka CNRS / In2p3, Luaros Luaros ir Il de Franso regionų indėlio.
Labai jautrus tamsiosios medžiagos detektorius
Italijos SGDS laboratorija, kurioje šiuo metu mokslininkai ieško tamsiosios medžiagos dalelių, yra maždaug 1500 metrų žemiau Gran Sasso masyvo, saugioje nuo radioaktyvumo, galinčio sukelti melagingus signalus. Teoriniai modeliai numato, kad tamsioji materija labai retai turėtų „susidurti“ su detektoriaus atomais. Ši prielaida yra pagrindinė veikiant XENON1T detektoriaus principui: jo centrinę dalį sudaro maždaug metro ilgio cilindrinė talpykla, kurioje –35 ° C temperatūroje yra 3500 kilogramų skysto ksenono xenon lemputes . Kai tamsiosios medžiagos dalelė sąveikauja su ksenono atomas, jis perduoda energiją atomo branduoliui, kuris vėliau sužadina kitus ksenono atomus. Tai veda prie silpnų ultravioletinių spindulių signalų skleidimas, kurie nustatomi naudojant labai jautrius šviesos jutiklius, esančius viršutinėje ir apatinėje cilindro dalyse. Tie patys jutikliai taip pat aptinka minimalų susidūrimo metu išsiskiriantį elektros krūvį.
Šis naujas tyrimas rodo, kad XENON1T detektorius taip pat gali išmatuoti kitus retus fizikinius reiškinius, pavyzdžiui, dvigubą elektronų gaudymą. Norint suprasti šį procesą, būtina žinoti, kad atomo branduolys paprastai susideda iš teigiamai įkrautų protonų ir neutralių neutronų, kuriuos supa keletas atominių kriauklių, kurias užima neigiamai įkrauti elektronai. Pavyzdžiui, „Xenon-124“ turi 54 protonus ir 70 neutronų. Dvigubo elektronų gaudymo metu du branduolio protonai vienu metu „užfiksuoja“ du elektronus iš vidinio atomo apvalkalo, transformuojasi į du neutronus ir išskiria du neutrinus. Kiti atominiai elektronai persitvarko, kad užpildytų dvi skyles vidiniame apvalkale. šiame procese išsiskiriančią energiją neša rentgeno spinduliai ir vadinamieji Augerio elektronai. Tačiau šiuos signalus labai sunku aptikti, nes dvigubas elektronų gaudymas yra labai retas procesas, kurį slepia visur esančio „įprasto“ radioaktyvumo signalai.
Matavimas
Taip XENON bendradarbiavimas atliko šį matavimą: rentgeno spinduliai, atsirandantys dėl dvigubo elektronų surinkimo skystame ksenone, sukūrė pirmąjį šviesos signalą ir laisvuosius elektronus. Elektronai buvo perkelti į dujomis užpildyto detektoriaus viršų, kur jie sukūrė antrą šviesos signalą. Laiko skirtumas tarp dviejų signalų yra laikas, per kurį elektronai pasiekia detektoriaus viršų. Mokslininkai naudojo šį intervalą ir jutiklių, matuojančių signalus, informaciją, kad rekonstruotų dvigubo elektronų surinkimo padėtį. Skilimo metu išsiskyrusi energija buvo išskaičiuota iš dviejų signalų stiprumo. Visi detektoriaus signalai buvo įrašyti daugiau nei per vienerius metus, tačiau iš pradžių jų nebuvo pastebėta, nes eksperimentas buvo atliktas aklas. Tai reiškė, kad mokslininkai negalėjo gauti duomenų apie nukentėjusį energetikos regioną, kol nebus baigta analizė, kad būtų užtikrinta, jog asmeniniai lūkesčiai neturės įtakos tyrimo rezultatams. Išsamiai supratus visus svarbius foninių signalų šaltinius paaiškėjo, kad 126 duomenyse pastebėtus įvykius iš tikrųjų sukėlė dvigubas elektronų „Xenon-124“ užfiksavimas. užtikrinti, kad asmeniniai lūkesčiai neturėtų įtakos tyrimo rezultatams. Išsamiai supratus visus svarbius foninių signalų šaltinius paaiškėjo, kad 126 duomenyse pastebėtus įvykius iš tikrųjų sukėlė dvigubas elektronų „Xenon-124“ užfiksavimas. užtikrinti, kad asmeniniai lūkesčiai neturėtų įtakos tyrimo rezultatams. Išsamiai supratus visus svarbius foninių signalų šaltinius paaiškėjo, kad 126 duomenyse pastebėtus įvykius iš tikrųjų sukėlė dvigubas elektronų „Xenon-124“ užfiksavimas.
Naudodami šį pirmąjį matavimą, fizikai apskaičiavo šio proceso ypač ilgą pusinės eliminacijos periodą – 1,8 × 10 22 metų. Rezultatai rodo, kaip gerai XENON1T detektorius gali aptikti retus procesus ir atmesti foninius signalus. Nors du neutrinai yra išskiriami kaip dvigubo elektronų surinkimo proceso dalis, mokslininkai dabar taip pat gali ieškoti dvigubo elektronų surinkimo be neutrinų, o tai galėtų išaiškinti svarbius klausimus apie neutrinų prigimtį.
Būsena ir perspektyva
XENON1T registravo duomenis nuo 2016 m. Iki 2018 m. Gruodžio mėn., Kur vėliau jie buvo nutraukti. Mokslininkai šiuo metu atnaujina eksperimentą naujam „XENONnT“ etapui, kuris bus tris kartus didesnis už aktyvaus detektoriaus masę. Dėl sumažinto triukšmo lygio detektoriaus jautrumas bus sustiprintas didumo tvarka.
Finansavimas
XENON eksperimentą finansavo Nacionalinis mokslo fondas, Šveicarijos nacionalinis mokslo fondas, Vokietijos švietimo ir mokslo ministerija (BMBF), Maxas Planckas Gesellschaftas, Vokietijos tyrimų fondas (DFG), Nyderlandų mokslinių tyrimų organizacija, NLeSC, Weizmann Mokslų institutas, I-CORE, Pazy-Vatat, Nematomas pradinio mokymo tinklas, Fundacao para Ciencia ea Tecnologia, Luaros regionas, Knuto ir Alice Wallenberg fondas, Kavli fondas, Abeloe absolventų stipendija ir Istituto Nazionale di Fisica Nucleare.