Data eksperimen XENON1T menetapkan batas paling ketat pada materi gelap

Anonim

Hasil eksperimen dari detektor materi gelap XENON1T membatasi ukuran partikel materi gelap yang efektif hingga 4.1X10-47 centimeter persegi — satu triliun seperempat sentimeter kuadrat — batas paling ketat yang belum ditentukan untuk materi gelap sebagaimana ditetapkan oleh dunia detektor paling sensitif.

Hasilnya, yang dipresentasikan Senin dalam sebuah seminar di Italia di Gran Sasso Underground Laboratory (LNGS), diproduksi menggunakan target volume aktif 1.300 kilogram Xenon, pencarian pertama untuk materi gelap yang telah memantau setara dengan satu ton xenon untuk satu tahun penuh.

"Kami sekarang memiliki batas paling ketat untuk apa yang dikenal sebagai 'penampang lintang nukleus WIMP, ' yang merupakan ukuran ukuran efektif materi gelap, atau seberapa kuat ia berinteraksi dengan materi normal, " kata Ethan Brown, anggota dari Kolaborasi XENON, dan asisten profesor fisika, fisika terapan, dan astronomi di Rensselaer Polytechnic Institute. "Dengan hasil ini, kami sekarang telah menguji banyak model teoritis baru materi gelap dan menempatkan kendala terkuat pada model-model ini hingga saat ini."

Materi gelap diteorikan sebagai salah satu unsur dasar alam semesta, lima kali lebih banyak daripada materi biasa. Tetapi karena partikel materi gelap yang dikenal sebagai "partikel-partikel masif berinteraksi lemah", atau "WIMPs, " tidak dapat dilihat dan jarang berinteraksi dengan materi biasa, keberadaan mereka tidak pernah dikonfirmasi.

Beberapa pengukuran astronomi telah menguatkan keberadaan materi gelap, yang mengarah ke upaya di seluruh dunia untuk secara langsung mengamati interaksi partikel materi gelap dengan materi biasa. Hingga saat ini, interaksi telah terbukti sangat lemah hingga mereka lolos dari deteksi langsung, memaksa para ilmuwan untuk membangun detektor yang lebih sensitif.

Sejak tahun 2002, XENON Collaboration, yang menggabungkan 165 ilmuwan dari 12 negara, telah mengoperasikan tiga detektor xenon cair yang lebih sensitif di LNGS di Italia, dan XENON1T adalah usaha terkuatnya hingga saat ini dan detektor terbesar dari jenisnya yang pernah dibangun. Partikel interaksi dalam xenon cair menciptakan kilatan cahaya kecil, dan detektor dimaksudkan untuk menangkap flash dari kejadian langka di mana partikel materi gelap bertabrakan dengan inti xenon.

Hasilnya menganalisis data 279 hari, menurut Elena Aprile, seorang profesor di Columbia University dan pimpinan proyek. Selama waktu itu, hanya dua peristiwa latar belakang yang diharapkan di bagian paling dalam dan paling bersih dari detektor. Namun, tidak ada peristiwa yang terdeteksi, menunjukkan partikel materi gelap harus lebih kecil dari yang diperkirakan sebelumnya. Sebagian dari analisis data dilakukan di Rensselaer, sebagai ilmuwan dari institut berkolaborasi di seluruh dunia yang bersidang di Institut pada akhir 2018 untuk meninjau data dan menyelesaikan rutinitas analisis yang akan menghilangkan informasi yang tidak relevan dari data yang dikumpulkan.

Sensitivitas detektor adalah fungsi ukurannya dan "keheningan" nya. Meskipun interaksi materi gelap jarang terjadi, interaksi dengan bentuk materi lainnya adalah umum, dan detektor yang sensitif dirancang untuk meminimalkan interaksi tersebut. Untuk melindunginya dari radioaktivitas alami di gua, detektor (disebut Liquid Xenon Time Projection Chamber) duduk di dalam cryostat yang dimasukkan ke dalam tangki air. Sebuah gunung di atas laboratorium bawah tanah lebih jauh melindungi detektor dari sinar kosmik.

Bahkan dengan perisai dari dunia luar, kontaminan merembes ke xenon dari bahan yang digunakan dalam detektor itu sendiri dan, di antara kontribusinya, Brown bertanggung jawab atas sistem pemurnian canggih yang terus-menerus menggosok xenon di detektor. Karena ukuran detektor telah bertambah, begitu juga kerumitan sistem pemurnian — bukan hanya ada lebih banyak xenon yang harus dibersihkan, tetapi harus tetap bersih sehingga cahaya dan muatan dapat bergerak melalui volume detektor yang lebih besar. Pada fase saat ini, Brown mengatakan timnya "meningkatkan, menambahkan lebih banyak pompa dan lebih banyak pemurni" ke sistem.

"Pekerjaan kami telah mempertahankan tingkat kemurnian yang tinggi untuk jumlah xenon terbesar dalam jangka waktu terlama, " kata Brown. "Ini adalah prestasi yang memungkinkan eksperimen lain untuk membangun kinerja sistem pemurnian ini."

Pada fase berikutnya, Brown akan memperkenalkan solusi baru, pompa yang dirancang baru yang dibuat dengan komponen ultra bersih di laboratoriumnya di Rensselaer bekerja sama dengan para peneliti di Stanford dan di Universitas Muenster di Jerman. Di mana pompa saat ini menyumbang sepertiga hingga setengah dari total radon dalam percobaan, pompa baru pada dasarnya akan bebas radon, menghilangkan salah satu kontribusi terbesar ke latar belakang.

menu
menu