Nowy rozdział w poszukiwaniu ciemnej materii

XENON1T w hali B LNGS: po prawej stronie budynek, stalowa konstrukcja z szklanymi ścianami, mieszcząca przygotowanie ksenonu oraz sterowanie eksperymentem i zbieranie danych, po lewej duży zbiornik wodny, w którym w centrum zainstalowany jest detektor. (© XENON Collaboration)

Montaż detektora XENON1T w pomieszczeniu czystym. (© XENON Collaboration)

W kosmosie musi być pięciokrotnie więcej Ciemnej Materii niż znanej nam widzialnej materii. Jednak nadal nie wiadomo, z czego ta Ciemna Materia się składa. 11.11.2015 międzynarodowy zespół naukowców zainaugurował w podziemnym laboratorium Gran Sasso we Włoszech instrument XENON1T, który otwiera nowy rozdział w poszukiwaniu Ciemnej Materii.

Ciemna Materia jest istotnym składnikiem wszechświata, i od dziesięcioleci poszukuje się jej za pomocą eksperymentów laboratoryjnych. Jednak do dziś Ciemną Materię można było zaobserwować tylko pośrednio, poprzez jej grawitację, która dominuje nad wszystkimi ruchami gwiazd i galaktyk. Dowody wskazują na to, że Ciemna Materia składa się z nieznanego rodzaju stabilnych cząstek elementarnych, tak zwanych WIMP-ów, które dotąd unikały obserwacji. WIMP-y byłyby cząstkami duchami, podobnie jak neutriny, które pierwotnie również postulowano na podstawie wskazań. „Przypuszczamy, że około stu tysięcy cząstek Ciemnej Materii przechodzi przez powierzchnię paznokcia co sekundę,” mówi prof. Manfred Lindner, dyrektor Instytutu Maxa Plancka ds. Fizyki Jądrowej w Heidelbergu. „Prawdopodobieństwo, że będą oddziaływać z atomami w naszym detektorze, musi być jednak niezwykle małe – w przeciwnym razie już byśmy je znaleźli. Obszar, w którym WIMP-y powinny być widoczne, nie był jeszcze w pełni zbadany. Dlatego potrzebujemy XENON1T, znacznie bardziej czułego instrumentu, który sięga głęboko w obszar, w którym oczekuje się rzadkich sygnałów.” Detektor został zbudowany przez międzynarodową kolaborację XENON, do której należą 21 grup badawczych z USA, Niemiec, Włoch, Szwajcarii, Portugalii, Francji, Holandii, Szwecji, Izraela i Abu Zabi, i która dziś świętowała inaugurację nowego instrumentu XENON1T.

Uroczystość z udziałem przedstawicieli instytucji finansujących i dziennikarzy odbyła się w Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) we Włoszech, jednym z największych podziemnych laboratoriów na świecie. Około 80 gości zgromadziło się na ceremonii w hali B LNGS, o długości 110 m, szerokości 15 m i wysokości 15 m, bezpośrednio przy instrumencie XENON1T. „Nasz detektor znajduje się pod 1400 m skały, aby chronić go przed promieniowaniem kosmicznym,” wyjaśnia prof. Uwe Oberlack z Uniwersytetu w Mainz, lokalizację instrumentu. „Nawet na takiej głębokości potrzebujemy jeszcze ochrony wokół eksperymentu z 750 metrów sześciennych wysokiej czystości wody, która wykrywa pozostałe promieniowanie kosmiczne za pomocą małych błysków świetlnych i tłumi otaczającą radioaktywność.” Podczas wcześniejszego wydarzenia w sali wykładowej LNGS, z udziałem innych gości, przedstawiono motywację fizyczną, strategię projektu oraz budowę detektora w prezentacjach.

Walcząc z najmniejszymi ilościami promieniowania środowiskowego

Jako detektor Ciemnej Materii XENON1T używa 3,5 tony szlachetnego gazu ksenonu w postaci ultraczystej cieczy w temperaturze –95 °C. „Aby znaleźć rzadkie oddziaływania cząstek Ciemnej Materii w detektorze, potrzebujemy dużej ilości materiału detektora i ekstremalnie wysokiej czystości radioaktywnej,” wyjaśnia prof. Christian Weinheimer z Westfalskiego Uniwersytetu Wilhelma w Münster. „W przeciwnym razie nie mielibyśmy szans na odnalezienie prawdziwych sygnałów wśród zakłóceń.” Dlatego naukowcy z XENON starannie przebadali wszystkie materiały użyte do budowy instrumentu pod kątem zawartości radioaktywnych zanieczyszczeń i wybrali te najczystsze. Dodaje: „Obiekty całkowicie pozbawione radioaktywności nie istnieją; śladowe ilości promieniowania są wszędzie – w metalach, ścianach laboratorium, a nawet w naszym ciele. Dokładamy wszelkich starań, aby zredukować te radioaktywne zanieczyszczenia do minimum.”

Naukowcy z XENON mierzą ekstremalnie słabe sygnały świetlne i ładunkowe, z których rekonstruują miejsce oddziaływania w detektorze, a także energię uwalnianą podczas tego procesu. Tylko sygnały pochodzące z najbardziej wewnętrznej tony 1 tony ciekłego ksenonu są uważane za potencjalnie wywołane przez cząstki Ciemnej Materii. Światło jest rejestrowane przez 248 czujników optycznych, które są tak czułe, że mogą wykryć pojedyncze fotony. Czujniki te znajdują się razem z głęboko schłodzonym ciekłym ksenonem w dużym termosie, zwanym kriostatem. Czystość i kondensacja gazu ksenonowego odbywa się w trzypoziomowym budynku XENON obok dużego zbiornika wodnego. Na parterze znajduje się ogromna stalowa kula z rurociągami i zaworami. „System ReStoX, nazwany tak od systemu magazynowania, może pomieścić 7,6 tony ksenonu zarówno w stanie gazowym, jak i ciekłym,” mówi Uwe Oberlack. „To więcej niż potrzebna ilość dla XENON1T, ale chcemy być przygotowani na przyszłość, aby w razie konieczności szybko zwiększyć czułość detektora poprzez rozbudowę o większą ilość ksenonu.”

Licząc na sygnał Ciemnej Materii

„Inauguracja odbywa się dokładnie w momencie ukończenia nowego instrumentu,” cieszy się Christian Weinheimer, „i już testujemy funkcję poszczególnych komponentów. Po uruchomieniu XENON1T będzie to najbardziej czuły na świecie eksperyment w poszukiwaniu Ciemnej Materii.” Pierwsze wyniki spodziewane są już na wiosnę 2016, ponieważ XENON1T po tygodniu pomiarów przewyższy wszystkie dotychczasowe eksperymenty. Po 2 latach pomiarów wydajność instrumentu osiągnie swoje maksimum, co potwierdziła właśnie opublikowana analiza. „Oczywiście, chcemy znaleźć Ciemną Materię,” mówi Manfred Lindner, „ale nawet jeśli po 2 latach uzyskamy tylko kilka wskazówek, będziemy w doskonałej pozycji, ponieważ możemy szybko rozbudować instrument do XENONnT, aby objąć także ostatnie obszary WIMP-ów.” W tym celu w dużej części wystarczy istniejąca infrastruktura.

------

W międzynarodową kolaborację XENON zaangażowane są z Niemiec Instytut Maxa Plancka ds. Fizyki Jądrowej (MPIK) w Heidelbergu, Uniwersytet w Mainz oraz Westfalski Uniwersytet Wilhelma w Münster. Wybór i kontrola materiałów detektorowych o ekstremalnie niskiej radioaktywności, rozwój i test czujników optycznych oraz celownik ksenonowy leżą w gestii MPIK. Grupa z Uniwersytetu w Mainz odpowiada za detektor muonów. Jest także zaangażowana w innowacyjny system magazynowania ksenonu ReStoX oraz wewnętrzny detektor. Naukowcy z Münster zajmują się oczyszczaniem ksenonu i opracowali obieg oczyszczania oraz unikalny system destylacji w niskiej temperaturze. Wszystkie trzy instytucje będą uczestniczyć w zbieraniu danych, analizie i kalibracji.

________________________________________________________

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