XENON je výzkumný projekt pro studium temné hmoty , který se provádí v laboratoři Gran Sasso v Itálii . Výzkumná laboratoř se nachází hluboko pod zemí, kde vědci provádějí experimenty ve snaze identifikovat a studovat částice temné hmoty. Výzkumníci věří, že tyto slabě interagující masivní částice ( WIMP ) lze detekovat zachycením kapalných jaderných rozpadů a poruch v uzavřené komoře naplněné xenonem . Detektor proudu se skládá z dvoufázové komory s časovou projekcí (TPC).
Experiment detekuje scintilace a ionizace , které vznikají v důsledku interakce částic s kapalným xenonem, což umožňuje odhalit průchod reakcí jaderného rozpadu. Oprava takového jevu vytvoří první přímé experimentální potvrzení existence částic, které jsou kandidáty na temnou hmotu. V čele skupiny výzkumných vědců stojí italská fyzička - profesorka Kolumbijské univerzity Elena Aprile .
Experiment XENON využívá dvoufázovou časovou projekční komoru ( Time projekční komora Time projekční komora - TPC), která je dole naplněna kapalným xenonem a nahoře plynným xenonem . Dvě pole fotonásobičů (PMTs), jedna na horní straně detektoru, kde je hmota v plynném stavu (GXe) a druhá pod vrstvou kapalného xenonu (LXe), poskytují detekci scintilací a světelné elektroluminiscence při interakci nabitých částic s hmotou . v detektoru. Oblast s aktivní látkou detektoru (kapalný a plynný plyn) je prostoupena elektrickými poli. Elektrické pole v plynné oblasti musí být mnohem silnější, aby bylo schopno vytáhnout elektrony z oblasti s kapalnou hmotou.
Interakce částic v kapalné hmotě způsobují scintilace a ionizace . Rychlý záblesk scintilační záře generuje záření ultrafialových fotonů o vlnové délce 178 nm . Tento signál je zachycen ve fotonásobičích (PMT) a je označován jako signál S1. Tato technika je dostatečně citlivá na detekci jednotlivých fotoelektronů. [1] Elektrické pole, které instalací prochází, zajišťuje rekombinaci všech elektronů, které vznikly po interakci s nabitými částicemi v TPC. Tyto elektrony jsou vytlačeny směrem nahoru oblastí s kapalným xenonem působením elektrického pole. Poté jsou ionizační částice vytlačeny do oblasti plynného skupenství mnohem silnějším elektrickým polem. Toto pole urychluje elektrony, dokud nevytvoří proporcionální scintilační signál, který je fixován ve FUT a označen jako S2 .
Detektor umožňuje získat úplný trojrozměrný obraz procesu interakce částic. [2] . Elektrony v oblasti kapalného xenonu mají rovnoměrnou rychlost posunu do horní oblasti. To umožňuje určit hloubku události, kde došlo k interakci, v důsledku zpoždění mezi signály S1 a S2. Přesná poloha události v měřítku souřadnic xy se získá výpočtem počtu fotonů, které byly zachyceny každým z FUT. Na úplném trojrozměrném obrázku je souřadnicová značka (oblast fidukce) v detektoru oblast poblíž spodní stěny dočasné projekční komory v oblasti kapalné hmoty. V této oblasti fidukce je počet vnějších událostí výrazně snížen ve srovnání s oblastí, kde jsou aktivně detekovány prostřednictvím vlastností kapalného xenonu. To umožňuje získat mnohem vyšší citlivost při registraci velmi vzácných událostí.
Očekává se, že nabité částice, které prolétají tělem detektoru, budou interagovat jak s elektrony atomů xenonu, tak se samotnými jádry atomů xenonu. Pro konkrétní množství energie přidané srážkami částic v detektoru lze pomocí poměru S2 / S1 vyčlenit a konkrétně popsat samotné události jaderných a elektronických srážek. [3] Očekává se, že tento poměr bude větší pro elektronické srážky než pro jaderné.
Teorie je taková, že částice temné hmoty, která narazí na atomy v nádrži, uvolní fotony a elektrony, které lze zachytit jako záblesky světla. Takové signály byly poprvé zaznamenány 16. června 2020 a mohou se stát potvrzením existence temné hmoty. [čtyři]
Experiment XENON10 byl proveden v Gran Sasso Underground Laboratory během března 2006. Podzemní umístění laboratoře poskytovalo stínění ekvivalentní vrstvě vody o tloušťce 3100 metrů. Samotný detektor byl navíc dodatečně odstíněn, aby se dále snížil hluk pozadí na vojensko-průmyslovém komplexu. Obecně byl XENON10 považován za prototyp detektoru, jeho hlavním účelem bylo prokázat účinnost samotného konceptu XENON a také ověřit dosažitelnost určitých mezních hodnot, citlivost a sílu pozadí. Detektor XENON10 obsahoval 15 kilogramů kapalného xenonu. Rozměry citlivého objemu VPC byly 20 cm v průměru a 15 cm na výšku [5] .
Druhá fáze detektoru s názvem XENON100 již obsahovala 165 kg kapalného xenonu, z toho 62 kg bylo v cílové oblasti a zbytek byl v senzoru „aktivního veta“. VPK měl průměr 30 cm a výšku 30 cm.
Výstavba třetí fáze s názvem XENON1T začala v hale B (hala B) Gran Sasso v roce 2014. Projekt detektoru zajišťuje 3,5 tuny ultraradiově vyčištěného kapalného xenonu, z čehož více než 1 tuna dopadne na cílovou oblast. Detektor je umístěn ve vodou naplněné skořápce o výšce 10 metrů, která bude fungovat jako „mionové veto“. VPK bude mít průměr 1 m a stejnou výšku.
Na detektoru se plánuje studium a testování některých teoretických modelů, které jsou kandidáty na supersymetrii, jako je CMSSM [6] .