Új fejezet a sötét anyag kutatásában

XENON1T Halle B-ben a LNGS-ben: jobbra a épület, egy acélszerkezet üvegfalakkal, amely a xenon-feldolgozást, valamint a kísérlet irányítását és adatgyűjtést szolgálja, balra a nagy víztartály, középen pedig a detektor van telepítve. (© XENON Collaboration)

Az XENON1T-Detektor összeszerelése a tisztatérben. (© XENON Kollaboráció)

Az univerzumban ötször több sötét anyagnak kell lennie, mint a mi ismert látható anyagnak. Azonban még mindig nem ismert, miből áll ez a sötét anyag. 2015.11.11-én egy nemzetközi tudóscsoport avatta fel az olaszországi Gran Sasso alatti laboratóriumban a XENON1T műszert, amely új fejezetet nyit a sötét anyag kutatásában.

A sötét anyag alapvető része az univerzumnak, és évtizedek óta keresik laboratóriumi kísérletekkel. Azonban eddig csak közvetve sikerült megfigyelni, nevezetesen a gravitációja révén, amely minden csillag és galaxis mozgását irányítja. A bizonyítékok arra utalnak, hogy a sötét anyag egy ismeretlen típusú stabil elemi részecskékből, úgynevezett WIMP-ekből áll, amelyek eddig elkerülték a megfigyelést. A WIMP-ek hasonlóak lehetnek szellemrészecskékhez, mint például a neutrínók, amelyeket eredetileg is bizonyítékok alapján tételeztek fel. „Úgy gondoljuk, hogy körülbelül százezer sötét anyag-részecske halad át másodpercenként egy körömnyi felületen” – mondja Prof. Manfred Lindner, a Heidelbergi Max-Planck-Institut für Kernphysik igazgatója. „Az esély, hogy ezek kölcsönhatásba lépjenek a detektorunk atomjaival, rendkívül alacsony – különben már megtaláltuk volna őket. A WIMP-ek láthatóságát várhatóan eddig nem vizsgáltuk meg teljes körűen. Ezért van szükségünk a XENON1T-re, egy sokkal érzékenyebb műszerre, amely mélyebbre hatol abba a tartományba, ahol a ritka jeleket várjuk.” A detektort a nemzetközi XENON-kollaboráció építette, amelyhez 21 kutatócsoport tartozik az Egyesült Államokból, Németországból, Olaszországból, Svájcból, Portugáliából, Franciaországból, Hollandiából, Svédországból, Izraelből és Abu Dhabiból, és amely ma ünnepelte új XENON1T műszere átadását.

A megünneplés az intézményeket finanszírozó szervezetek képviselőivel és újságírókkal az olaszországi Gran Sasso Nemzeti Laboratóriumban (LNGS) zajlott, amely a világ egyik legnagyobb föld alatti laboratóriuma. Körülbelül 80 vendég gyűlt össze a ceremóniára az LNGS 110 méter hosszú, 15 méter széles és 15 méter magas B csarnokában, közvetlenül a XENON1T műszer mellett. „A detektorunk 1400 méter kőzet alatt található, hogy megvédjük a kozmikus sugárzástól” – magyarázza Prof. Uwe Oberlack a Mainzi Johannes Gutenberg Egyetemen a műszer helyét. „Még ilyen mélységben is szükségünk van egy 750 köbméter magas tiszta víz körüli védelemre, amely a kis fényvillanásokkal érzékeli a maradék kozmikus sugárzást és árnyékolja a környező radioaktivitást.” A korábbi bemutatón, az LNGS hangversenytermében, további vendégek részvételével, előadásokban ismertették a projekt fizikai motivációját, stratégiáját és a detektor felépítését.

Küzdelem a legkisebb környezeti radioaktivitás ellen

A XENON1T sötét anyag detektorként 3,5 tonna nemesgázt, xenont használ, mint ultratiszta folyadékot -95 °C-on. „Ahhoz, hogy megtaláljuk a sötét anyag-részecskék ritka kölcsönhatásait a detektorban, nagy mennyiségű detektormaterialra és rendkívül magas radioaktív tisztaságra van szükség” – magyarázza Prof. Christian Weinheimer a Nyugat-Füle Wilhelms-Universität Münsterből. „Egyébként nem lenne esélyünk megtalálni a valódi jeleket a zaj között.” Ezért a XENON tudósai minden anyagot alaposan megvizsgáltak radioaktív szennyeződések szempontjából, és a legkisebb szennyezéseket választották ki. Hozzáteszi: „Teljesen radioaktív anyag nem létezik; apró radioaktív nyomok mindenhol megtalálhatók, fémekben, a laboratórium falain, sőt a testünkben is. Mindent megteszünk, hogy ezeket a radioaktív szennyeződéseket minél jobban csökkentsük.”

A XENON kutatói rendkívül gyenge fény- és töltésjeleket mérnek, amelyekből rekonstruálják a kölcsönhatás helyét a detektorban, valamint a felszabaduló energiát. Csak az első 1 tonna folyékony xenon belsejében keletkező jeleket tekintik potenciálisan sötét anyag-részecskék okozta jelnek. A fényt 248 fényérzékelő észleli, amelyek olyan érzékenyek, hogy egyes fotonokat is képesek kimutatni. Ezek a fényérzékelők a mélyhűtött folyékony xenon mellett találhatók egy hatalmas termoszhoz hasonló szerkezetben, a kriosztátban. A xenon gáz tisztítása és folyósítása a nagy XENON-épületben történik, a nagy víztartály mellett. A földszinten egy hatalmas acélgömb található csövekkel és szelepekkel. „Ezt a ReStoX nevű rendszert 7,6 tonna xenont tud fogadni mind gáz, mind folyékony halmazállapotban” – mondja Uwe Oberlack. „Ez több, mint amire az XENON1T-nek szüksége van, de felkészültünk arra, hogy a jövőben a detektor érzékenységét gyorsan növeljük nagyobb xenon mennyiségének hozzáadásával.”

Remény a sötét anyag jeleire

„A felavatás pontosan az új műszer elkészültekor történik” – örül Prof. Christian Weinheimer –, „és már teszteljük az alkatrészek működését. A XENON1T akkor lesz a világ legérzékenyebb kísérlete a sötét anyag kutatásában.” Első eredmények már 2016 tavaszán várhatók, mivel a XENON1T már egy hét mérési idő után minden eddigi kísérletet felülmúl. Két év mérési idő után a műszer teljesítőképessége ki lesz használva, amint egy nemrégiben közzétett tanulmány kimutatta. „Természetesen sötét anyagot szeretnénk találni” – mondja Manfred Lindner –, „de még ha két év alatt csak néhány nyomot is találunk, kiváló helyzetben leszünk, mert gyorsan ki tudjuk bővíteni a műszert XENONnT-re, hogy a WIMP-ek utolsó maradványait is lefedjük.” Ehhez a meglévő infrastruktúra nagy része elegendő.

------

Az XENON-kollaborációban részt vesz Németországból a Heidelbergi Max-Planck-Institut für Kernphysik (MPIK), a Mainzi Johannes Gutenberg Egyetem és a Nyugat-Füle Wilhelms-Universität Münster. A detektormaterialok kiválasztása és ellenőrzése, a rendkívül alacsony radioaktivitású anyagok fejlesztése és tesztelése, valamint a xenon célpont a MPIK feladata. A Mainz-i egyetem csoportja felelős a muon-detektorért. Részt vesznek továbbá az innovatív Xenon-tárolórendszer, a ReStoX, és a belső detektor fejlesztésében. A Münster-i egyetem kutatói végzik a xenon tisztítását, és kifejlesztették a tisztítási ciklust és egy egyedülálló mélyhűtéses desztillációs berendezést. Mindhárom intézmény részt vesz az adatok gyűjtésében, elemzésében és kalibrációjában.

________________________________________________________

Kapcsolat:

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

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

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