Hluboko pod horou Gran Sasso ve střední Itálii se skrývá největší evropská podzemní laboratoř, v níž jsou instalovány dvě desítky detektorů neutrin a temné hmoty . O některých z nich jsme informovali v dřívějších bulletinech (například OPERA, BOREXINO, DAMA). Dnes se zaměříme na detektor XENON, který má nejnižší signál pozadí ze všech detektorů částic temné hmoty na světě. Částice temné hmoty sice dosud nenalezl, ale zúžil interval možností, jak tyto pro nás extravagantní částice hledat.
Logo detektoru XENON
|
Temná hmota – hmota ve Vesmíru nebaryonové povahy, není složena z kvarků. Temná hmota udržuje pohromadě svítící objekty velkých rozměrů, které díky ní v periferních oblastech obíhají rychleji, než odpovídá gravitačnímu zákonu aplikovanému na viditelnou hmotu. Tvoří několikanásobek hmotnosti baryonové látky galaxií a 23 % hmoty a energie ve Vesmíru. Existuje několik hypotetických částic, které jsou vhodnými kandidáty na částice temné hmoty, dosud však nebyly objeveny. Termín „temná hmota“ zavedl v roce 1933 Fritz Zwicky, když zjistil, že se členové Kupy galaxií ve Vlasech Bereniky v průměru pohybují rychleji, než by odpovídalo gravitačním účinkům viditelné látky. Temná energie – entita zodpovědná za zrychlenou expanzi Vesmíru, která byla objevena na konci roku 1998 (Saul Perlmutter, Adam Riess). Temná energie tvoří 73 % hmoty a energie ve Vesmíru. Hustota temné energie je velmi málo proměnná v čase i v prostoru, pokud vůbec. Nejnadějnějším kandidátem na temnou energii je energie vakua. LNGS – Národní laboratoř v Gran Sasso. Italská laboratoř umístěná v hloubce 1 400 m pod povrchem se nachází mezi městy L'Aquila a Teramo, přibližně 120 km od Říma. Experimenty jsou rozmístěny na bocích 10 km dlouhého tunelu, který prochází pod horou Gran Sasso. Jsou zde tři velké experimentální haly, každá má délku 100 m, šířku 20 metrů a výšku 18 metrů. Výzkum je především věnován sledování neutrin. WIMP – Weakly Interacting Massive Particle, vážný kandidát na částice temné hmoty. Mělo by jít o reliktní superpartnery z období po Velkém třesku, kterým fyzikální zákony zabránily v následném rozpadu. Wimpy jsou usilovně hledány v několika desítkách experimentů. |
Ve vesmíru jsou jen 4 % atomární látky, 23 % tvoří částice temné hmoty a plných 73 % temná energie. Z částic temné hmoty jsou zformovány největší struktury ve vesmíru, které gravitačně ovlivňují polohy i pohyby galaxií a hvězd. Z gravitačního působení temné hmoty na látku a na světlo lze vytvářet mapy rozložení temné hmoty, takže dobře víme, kde se ve vesmíru nachází. Existuje i řada kandidátů na částice temné hmoty. Je jistá naděje, že by částice temné hmoty mohly interagovat nejen gravitační interakcí , ale i slabou interakcí , která by umožnila jejich přímou detekci. Nejnadějnějšími kandidáty na tyto částice jsou tzv. wimpy – slabě interagující hmotné částice. Usilovně je hledá několik desítek pracovišť na celém světě. Pokud se wimp trefí přesně do atomového jádra, slabě interaguje s nukleony za vzniku charakteristického záblesku, který je využíván k detekci částice.
Detektor XENON používá jako detekční médium kapalný xenon. Pokud se wimp setká s jádrem xenonu, přemění se neutron na proton a elektron a uvolní se foton modrého světla, které lze detekovat fotonásobiči. První detektor tohoto typu (XENON-10) pracoval v podzemní laboratoři Gran Sasso od roku 2005 do roku 2007 a využíval řádově 10 kilogramů kapalného xenonu. Detektor byl schopen nalézt wimpy až do účinného průřezu interakce 8,8×10–44 cm2 v intervalu hmotností jednotek až stovek GeV. V roce 2008 byla uvedena do provozu druhá varianta detektoru pod názvem XENON-100. Tento detektor je nyní nejcitlivějším detektorem temné hmoty. Základem detektoru je svislý válec naplněný kapalným xenonem. Jako aktivní médium slouží 62 kilogramů ultračistého xenonu. Kolem je dalších 105 kilogramů xenonu pro referenční účely. Detektor je stíněn vrstvou mědi (na obrázku oranžově), dvěma vrstvami olova (šedivě a zeleně) a vodním pláštěm (modře). Nad detektorem je 1 400 metrů horniny. Tyto vrstvy spolehlivě detektor ochrání před parazitními částicemi kosmického záření. Detektor je nejlépe stíněným detektorem temné hmoty vůbec.
Detektor XENON-100 pro horou Gran Sasso. Zdroj: NLGS.
Horní víko detektoru XENON-100 s fotonásobiči. Nalevo jsou fotonásobiče ještě nezakrytované. Zdroj: NLGS.
Horní a dolní podstava válcového detektoru je tvořena celkem 178 fotonásobiči schopnými zachytit namodralý záblesk interakce wimpu s jádrem xenonu. Při interakci vznikne také volný elektron, který je přitahován k anodě v horní části válce. Elektron se pohybuje z kapaliny do plynu nad hladinou kapalného xenonu, kde se stane zdrojem dalšího záblesku, který opět detekují fotonásobiče. Poměr intenzit obou záblesků je charakteristický pro částici, jenž signál způsobila. Na stavbě a provozu detektoru se podílelo 60 vědců ze 14 institucí z Číny, Francie, Německa, Izraele, Itálie, Portugalska, Švýcarska a USA. V dubnu 2011 byla analyzována data získaná v říjnu a listopadu 2009. Celkem šlo o 11,17 dní nahraných dat, kde bylo nalezeno několik desítek záblesků. Po pečlivé analýze se ukázalo, že s 90 % pravděpodobností nebyl žádný ze záblesků způsoben wimpem. Detektor byl citlivý až do účinného průřezu 2×10–45 cm2. I negativní výsledek experimentu má velký smysl a zúžil oblast, ve které je možné wimpy hledat. V současnosti se připravuje ke spuštění další detektor XENON-1T s 2 500 kg kapalného xenonu, který by měl být schopen detekovat interakci wimpu s jádrem xenonu i pro účinný průřez nižší než 10–46 cm2. V provozu by měl být od roku 2012 do roku 2016. Doufejme, že nová mutace detektoru XENON s mimořádnou citlivostí konečně nalezne dosud unikající částici wimp.
Poloha nového detektoru XENON-1T mezi ostatními detektory v prostřední experimentální hale pod horou Gran Sasso.
Citlivost jednotlivých zařízení. Modré plochy (označené CMSSM) jsou oblasti, kde by wimpy
mohly být podle tzv. minimálního supersymetrického modelu. Zdroj: Kolumbijská univerzita.
Zdroje:
- Lisa Van Pay, James Whitmore, Elena Aprile: Search for Dark Matter Narrowed by New Data From XENON100; NSF, Press Release 11-074, 14 Apr 2011
- Instituto Nazionale di Fisica Nucleare – domovská stránka
- E. Aprile et al.: First Dark Matter Results from the XENON100 Experiment; arXiv:1005.0380v3
astro-ph.CO 1 Mar 2011 - Elena Aprile: New data from XENON100 narrows down the search for dark matter; Nationaal instituut voor subatomaire fysica, report, 14 Apr 2011
- E. Aprile et al.: The XENON Dark Matter Search Experiment; arXiv:astro-ph/0407575v1, 28 Jul 2004
- Columbia University: XENON Dark Matter project
- E. Aprile: The XENON Dark Matter Search; WONDER Workshop, LNGS, 22 Mar 2010
- Petr Kulhánek: Neutrinový experiment OPERA; AB 45/2010
- Petr Kulhánek: Neutrina z nitra Země pozorovaná v experimentu BOREXINO; AB 12/2010
- Michal Marčišovský: Experiment CNGS – Neutrína z CERNu do Talianska; AB 46/2005
- Miroslav Havránek: Detektory temné hmoty; AB 17/2008
- Ivan Havlíček: První časoprostorová mapa temné hmoty – projekt COSMOS; AB 10/2007
- Ivan Havlíček: Astronomie v podzemí – Gran Sasso 2011; materiály k přednášce, 2011
- Petr Kulhánek: Co se skrývá pod horou Gran Sasso; materiály k přednášce, 2010
