Nová kapitola v hledání temné hmoty

XENON1T v hale B LNGS: vpravo budova, ocelová konstrukce s skleněnými stěnami, která obsahuje zařízení na přípravu xenonu, řízení experimentu a sběr dat, vlevo velká vodní nádrž, uprostřed které je nainstalován detektor. (© XENON Collaboration)

Montáž detektoru XENON1T v čisté místnosti. (© XENON Collaboration)

Ve vesmíru musí být pětkrát více temné hmoty než ta, kterou známe jako viditelnou hmotu. Je však stále neznámé, z čeho tato temná hmota sestává. Dne 11.11.2015 slavilo mezinárodní vědecké týmy v podzemní laboratoři Gran Sasso v Itálii uvedení přístroje XENON1T, který otevírá novou kapitolu ve hledání temné hmoty.

Temná hmota je zásadní součástí vesmíru a již desetiletí je po ní pátráno pomocí laboratorních experimentů. Dosud však byla temná hmota pozorována pouze nepřímo, a to prostřednictvím její gravitace, která ovládá veškeré pohyby hvězd a galaxií. Indicie naznačují, že temná hmota sestává z neznámého druhu stabilních elementárních částic, takzvaných WIMPů, které dosud unikaly pozorování. WIMPy by byly "duchovéčásticemi", podobně jako neutriny, které byly původně také postulovány na základě indicií. „Předpokládáme, že přibližně sto tisíc částic temné hmoty prochází povrchem nehtu každou sekundu,“ říká profesor Manfred Lindner, ředitel Max-Planck-Institutu pro jadernou fyziku v Heidelbergu. „Pravděpodobnost, že by se s atomy v našem detektoru srazily, však musí být extrémně nízká – jinak bychom je již našli. Oblast, ve které by se měly WIMPy stát viditelnými, však dosud nebyla důkladně prozkoumána. Proto potřebujeme XENON1T, mnohem citlivější přístroj, který pronikne do oblasti, v níž se očekávají vzácné signály.“ Detektor byl postaven mezinárodní kolaborací XENON, které patří 21 výzkumných skupin z USA, Německa, Itálie, Švýcarska, Portugalska, Francie, Nizozemska, Švédska, Izraele a Abú Dhabí, a dnes slaví uvedení svého nového přístroje XENON1T.

Oslava s představiteli finančních institucí a novináři se konala v laboratořích Národních laboratořích Gran Sasso (LNGS) v Itálii, jednom z největších podzemních laboratoří na světě. Přibližně 80 hostů se shromáždilo na ceremoniál v hale B LNGS, která je dlouhá 110 m, široká 15 m a vysoká 15 m, přímo u přístroje XENON1T. „Náš detektor se nachází pod 1400 metry hornin, aby byl chráněn před kosmickým zářením,“ vysvětluje profesor Uwe Oberlack z Johannes-Gutenbergovy univerzity v Mainzu umístění přístroje. „I v takové hloubce potřebujeme ještě ochranu kolem experimentu z 750 krychlových metrů vysoce čisté vody, která ukazuje zbytkové kosmické záření pomocí malých světelných záblesků a stíní okolní radioaktivitu.“ Při předchozím uvítacím setkání v posluchárně LNGS s dalšími hosty byly v přednáškách představeny fyzikální motivace a strategie projektu a konstrukce detektoru.

Boje proti nejmenším množstvím environmentální radioaktivity

Jako detektor temné hmoty používá XENON1T 3,5 tuny vzácného plynu xenonu jako vysoce čisté kapaliny při –95 °C. „Abychom našli vzácné srážky částic temné hmoty v detektoru, potřebujeme velké množství detektorového materiálu a extrémně vysokou radioaktivní čistotu,“ vysvětluje profesor Christian Weinheimer z Westfálské Wilhelms-Universität v Münsteru. „Jinak bychom neměli šanci najít skutečné signály mezi rušivými signály.“ Proto vědci z kolaborace XENON pečlivě zkoumali všechny materiály používané při stavbě přístroje na jejich obsah radioaktivních nečistot a vybrali ty nejčistší. Přidává: „Objekty zcela bez radioaktivity neexistují; malé stopy radioaktivity jsou všude, v kovech, ve stěnách laboratoře i v našem těle. Děláme vše pro to, abychom tyto radioaktivní nečistoty co nejvíce snížili.“

Výzkumníci XENON měří extrémně slabé světelné a nábojové signály, ze kterých rekonstruují místo srážky v detektoru a také uvolněnou energii. Pouze signály z nejvnitřnější 1 tuny kapalného xenonu jsou považovány za možné způsobené částicemi temné hmoty. Světlo je zachycováno 248 světelnými senzory, které jsou tak citlivé, že dokážou detekovat jednotlivé fotony. Nacházejí se spolu s hluboce chladným kapalným xenonem v jakémsi obrovském termohrnci, kryostatu. Čištění a kapalnění xenonového plynu probíhá v trojpatrové budově XENON vedle velké vodní nádrže. V přízemí stojí obrovská ocelová koule s potrubími a ventily. „Tento systém ReStoX, který pojme 7,6 tun xenonu jak v plynném, tak kapalném stavu,“ říká Uwe Oberlack. „Je to více než množství potřebné pro XENON1T, ale chceme být připraveni v budoucnu rychle zvýšit citlivost detektoru rozšířením o větší množství xenonu.“

Doufání v signál temné hmoty

„Uvedení do provozu se přesně shoduje s dokončením nového přístroje,“ těší se Christian Weinheimer, „a již testujeme funkčnost jeho komponent. Po spuštění bude XENON1T nejcitlivějším experimentem na světě v hledání temné hmoty.“ První výsledky se očekávají již na jaře 2016, protože XENON1T již po týdnu měření překoná všechna dosavadní zařízení. Po dvou letech měření bude výkon přístroje plně využit, jak ukázala právě zveřejněná studie. „Samozřejmě chceme najít temnou hmotu,“ říká Manfred Lindner, „ale i když během dvou let najdeme jen několik náznaků, budeme v skvělé pozici, protože můžeme přístroj rychle rozšířit na XENONnT, abychom pokryli i poslední zbytky oblasti WIMPů.“ To většinou pokryje stávající infrastruktura.

------

Do mezinárodní kolaborace XENON jsou zapojena z Německa Max-Planck-Institut für Kernphysik (MPIK) v Heidelbergu, Johannes-Gutenberg-Universität Mainz a Westfälische Wilhelms-Universität Münster. Výběr a kontrola detektorových materiálů s extrémně nízkou radioaktivitou, vývoj a testování světelných senzorů a xenonové cíle jsou v odpovědnosti MPIK. Skupina na univerzitě v Mainzu je odpovědná za detektor pro miony. Také se podílí na inovativním systému skladování xenonu ReStoX a na vnitřním detektoru. Výzkumníci z univerzity Münster jsou zodpovědní za čištění xenonového plynu a vyvinuli cirkulační systém čištění a unikátní systém destilace při nízké teplotě. Všechna tři pracoviště se budou podílet na sběru a analýze dat a kalibraci.

________________________________________________________

Kontakt:

Max-Planck-Institut für Kernphysik:
Prof. Dr. Manfred Lindner
Tel.: 06221 516 800
Fax.: 06221 516 802
E-mail: lindner (at) mpi-hd.mpg.de

Johannes-Gutenberg-Universität Mainz:
Prof. Dr. Uwe Oberlack
Tel.: 06131 3925167
Fax.: 06131 3925169
E-mail: oberlack (at) uni-mainz.de

Westfälische Wilhelms-Universität Münster:
Prof. Dr. Christian Weinheimer
Tel.: 0251 8334971
Fax.: 0251 8334962
E-mail: weinheim (at) uni-muenster.de