Най-дълбоката подземна лаборатория за търсене на тъмна материя увеличи многократно чувствителността на детекторите си

През декември миналата година стана ясно, че Китай е пуснал в действие ново научно съоръжение – най-дълбоката лаборатория в света за търсене на тъмна материя и други открития. Неотдавна списание Nature публикува статия, която разкрива повече подробности за експериментите, подготвяни там.

На дълбочина 2400 метра са инсталирани сензори с многократно повишена чувствителност, които да откриват кандидати за елементарни частици на тъмната материя.

Първата фаза на детекторите се намира в подземна лаборатория в планинската верига Дзинпин в Китай, в тунелите на построена там водноелектрическа централа. По същото време бяха пуснати в експлоатация две експериментални съоръжения: CDEX (China Dark Matter Experiment) и PandaX (Particle and Astrophysical Xenon Detector).

Детекторът CDEX представлява полупроводников сензор в твърдо състояние под формата на 10 килограма чист германий в кристално състояние. Смята се, че 10 килограма от чувствителната среда са в състояние да уловят едно събитие годишно. Сензорът CDEX е предназначен за улавяне на хипотетични частици WIMP (слабо взаимодействащи масивни частици) в долния масов диапазон.

Частиците на тъмната материя или тъмната материя, което е по-правилно от гледна точка на определянето на естеството на това явление могат да взаимодействат с други частици само с помощта на гравитацията.

Възможни са редки сблъсъци с предаване на енергия на атомите на сензорите, която ще се появи под формата на луминесценция. От интензитета на светлината и траекторията можем да изчислим параметрите на първоначалната частица.

Тъй като Земята в своето орбитално и галактическо движение трябва да пресича потоците от тъмна материя, рано или късно тези частици ще се проявят в детекторите. Със създаването на нови детектори и условия за откриване постепенно създаваме нови гранични условия на физичните състояния. Те могат да съответстват на неуловимите и невидими в електромагнитния диапазон частици тъмна материя.

Новият полупроводников сензор от германий в CJPL-II (China Jinping Underground Laboratory-II) е с маса около 100 килограма, което увеличи честотата на възможните регистрации на частици кандидати за тъмна материя с един порядък. В същото време са създадени условия за по-нататъшно увеличаване на масата на полупроводниковия сензор до около един тон. Когато той бъде построен, Китай ще изпревари света в това отношение.

Вторият експеримент разчита на сензор, изработен от ксенон, който се намира в две фазови състояния – течно и газообразно.

Експериментът PandaX стартира с тегло 120 килограма. В новите зали на лабораторията CJPL-II масата на веществото в сензора PandaX-4T е увеличена до 4 тона, а в бъдеще ще нарасне до 40 или 50 тона. Днес италианците разполагат с най-чувствителния сензор от този план в проекта LNGS XENONnT. Той е с маса 8,6 тона. В американския проект LUX-ZEPLIN масата на ксенона достига 7 тона. За подобни експерименти повторяемостта е изключително важна, за да се елиминират случайните реакции на детектора.

Подземната лаборатория CJPL-II в Китай разполага с много по-добри условия за защита на сензорите от космически частици. Освен това мраморът в китайските мини е по-малко фониран, отколкото в Европа и САЩ. Това опростява конструкцията и работата на сензорите. Неуловимата тъмна материя ще става все по-трудно скриваема от учените. В крайна сметка те ще разгадаят нейната тайна.