大型地下氙(LUX)暗物质实验的新结果

admin 2018-05-16

em LUX科学家采用的一套新的校准技术大大提高了LUX暗物质实验的灵敏度。 / em

大型地下氙(LUX)暗物质实验在南达科他州黑山的桑福德地下研究机构(SURF)下在地下近一英里处运行,已经证明它本身是寻找暗物质中最灵敏的探测器,那些看不见的东西相信会解释宇宙中的大部分问题。现在,LUX科学家采用的一套新的校准技术再次显着提高了检测器的灵敏度。

LUX的研究人员正在寻找WIMPs,或弱相互作用的大质量粒子,它们是暗物质的主要候选物。 “对于低质量暗物质粒子,我们将LUX的灵敏度提高了20倍以上,显着提高了我们寻找WIMPs的能力,”布朗大学物理学教授兼LUX联合发言人Rick Gaitskell说。实验。 Gaitskell说:“我们必须继续推动探测器的能力以寻找难以捉摸的暗物质粒子。

LUX的改进,加上美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室(Berkeley Lab)国家能源研究科学计算中心(NERSC)和布朗大学计算与可视化中心(CCV)的先进计算机模拟,已经允许科学家测试其他粒子现在可以从搜索中排除暗物质模型。 NERSC还存储大量的LUX数据 - 以兆兆字节或千兆字节度量 - 而伯克利实验室在LUX协作中的作用越来越大。

科学家们相信暗物质的存在是因为它的引力效应可以在星系旋转中看到,并且在光线穿过宇宙时光线会弯曲。因为WIMP被认为只在极少数情况下才与其他物质相互作用,所以它们还没有被直接检测到。

LUX研究员伦敦帝国学院的Alastair Currie说:“我们在实验的前三个月运行过程中一直在寻找暗物质粒子,但我们正在开发新的校准技术,以更好地确定它们在我们的探测器中的表现。”

“这些校准加深了我们对氙对暗物质和背景的反应的理解。这使我们能够以更高的置信度搜索我们以前不知道的粒子,这对LUX来说是可见的。“

这项新研究在提交给Physical Review Letters的论文中有所描述。该工作重新审视了2013年LUX首三个月运行期间收集的数据,并有助于排除在其他实验先前报告可能检测到的低质量范围内检测到暗物质的可能性。

LUX由三分之一吨的液体氙气包围着灵敏的光探测器组成。它被设计用于识别在暗物质粒子与检测器内的氙原子碰撞的非常罕见的情况。当发生碰撞时,氙原子会反冲并发出微小的闪光,这可以通过LUX的光传感器检测到。探测器在Sanford实验室的一英里的岩石下的位置有助于保护它免受宇宙射线和其他会干扰暗物质信号的辐射。

到目前为止,LUX没有检测到暗物质信号,但其精确的灵敏度使科学家们能够排除大量存在暗物质粒子的质量范围。这些新的校准技术进一步提高了灵敏度。

一种校准技术使用中子作为暗物质颗粒的替代物。从氙原子反弹中子可以让科学家量化LUX检测器如何对反冲过程做出反应。

“它就像一个巨大的游戏池,中子作为主球,氙原子作为条纹和固体,”盖茨凯尔说。 “我们可以跟踪中子来推断氙气反冲的细节,并比以前更好地校准LUX的反应。”

中子和氙原子之间相互作用的性质被认为与暗物质和氙之间的相互作用非常相似。 “这只是暗物质粒子之间的相互作用非常弱,大约有一亿万亿次的弱点,”Gaitskell说。

中子实验有助于校准探测器与氙原子核的相互作用。但LUX科学家还校准了探测器对原子能电子沉积少量能量的响应。这是通过将氚化甲烷(一种放射性气体)注入探测器完成的。

“在典型的科学运行中,LUX所看到的大部分是背景电子后坐事件,”马里兰大学教授卡特霍尔说。 “氚化甲烷是类似事件的便利来源,我们现在已经在LUX中研究了数十万次衰变。这给了我们信心,我们不会把这些花园多样的事件误认为暗物质。“

另一种放射性气体氪被注入,以帮助科学家区分由环境放射性产生的信号和潜在的暗物质信号。

加州大学伯克利分校物理学教授兼LUX的联合发言人Dan McKinsey说:“氪在液体氙中均匀混合,并以一种已知的特定能量发射辐射,但随后迅速衰减成稳定的非放射性形式。也是伯克利实验室的附属机构。通过精确测量这种相互作用产生的光线和电荷,研究人员可以有效地滤除搜索中的背景事件。

“所以搜索仍在继续,”麦肯锡说。 “LUX再次处于桑福德实验室的暗物质检测模式。最新的运行开始于2014年底,预计将持续到2016年6月。与2013年之前的运行相比,这一运行将增加4倍以上。我们会很高兴看到新数据中是否有暗物质颗粒出现。“

麦肯锡以前在耶鲁大学,在他的研究团队成员的陪同下于7月加入加州大学伯克利分校和伯克利实验室。

桑福德实验室是南达科塔州拥有的设施。 Homestake矿业公司在南达科他州科学和技术局(SDSTA)捐赠了其铅矿的金矿,该矿场于2007年重新开放了该矿场,其中南达科他州立法机构提供了4000万美元的资金,慈善家T. Denny Sanford 。美国能源部(DOE)支持桑福德实验室的运营。

负责SURF运营并领导伯克利实验室黑暗物质研究小组的Kevin Lesko说:“很高兴看到SURF安装的实验继续产生世界领先的结果。”

由美国能源部和美国国家科学基金会(NSF)支持的LUX科学合作包括美国,英国和葡萄牙的19所研究型大学和国家实验室。

“全球对暗物质的探索旨在回答有关宇宙构成的最大问题之一。我们很自豪地支持LUX协作,并祝贺他们实现更高水平的灵敏度,“SDSTA执行总监Mike Headley表示。

在桑福德实验室规划下一代暗物质实验已经在进行中。在2016年年底,LUX将退役,为一种新型更大型的氙探测器LUX-ZEPLIN(LZ)实验取代。 LZ将拥有一个10吨液氙靶材,可装入LUX使用的同一个72,000加仑纯水罐内。伯克利实验室的科学家将在LZ合作中担任重要的领导角色。

“LUX实验的创新构成了LZ实验的基础,LZ实验计划实现超过LUX灵敏度100倍。 LZ实验非常敏感,以至于它应该开始检测一种源自太阳的中微子,甚至Ray Davis在Homestake矿的诺贝尔奖获奖实验无法检测到,“根据UC Santa Barbara的Harry Nelson,发言人为LZ。

LUX得到DOE科学办公室的支持。 NERSC是DOE科学用户设施办公室。

PDF研究副本:改进LUX实验的WIMP散射限制

来源:劳伦斯伯克利国家实验室


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