XENON är ett forskningsprojekt för studier av mörk materia , som genomförs vid Gran Sasso- laboratoriet i Italien . Forskningslaboratoriet ligger djupt under jorden, där forskare utför experiment i ett försök att identifiera och studera partiklar av mörk materia. Forskare tror att dessa svagt interagerande massiva partiklar ( WIMP ) kan upptäckas genom att fånga sönderfall och störningar i flytande kärnkraft i en sluten kammare fylld med xenon . Strömdetektorn består av en tvåfasig tidsprojektionskammare (TPC).
Experimentet detekterar scintillationer och joniseringar som uppstår som ett resultat av partiklars interaktion med flytande xenon, vilket gör det möjligt att avslöja passagen av kärnsönderfallsreaktioner. Att fixa ett sådant fenomen kommer att skapa den första direkta experimentella bekräftelsen på förekomsten av partiklar som är kandidater för mörk materia. I spetsen för en grupp forskare står en italiensk fysiker - en professor vid Columbia University Elena Aprile .
XENON-experimentet använder en tvåfasig tidsprojektionskammare ( Time projection chamber Time projection chamber - TPC), som är fylld med flytande xenon i botten och gasformig xenon i toppen . Två arrayer av fotomultiplikatorrör (PMT), en ovanpå detektorn där materia är i gasform (GXe) och den andra under det flytande xenonskiktet (LXe), ger detektering av scintillationer och ljuselektroluminescens när laddade partiklar interagerar med materia i detektorn. Området med detektorns aktiva substans (flytande och gasformig gas) penetreras av elektriska fält. Det elektriska fältet i det gasformiga området måste vara mycket starkare för att kunna dra ut elektroner från området med flytande material.
Partikelinteraktioner i flytande material ger upphov till scintillationer och joniseringar . En snabb blixt av scintillationsglöd genererar strålning av ultravioletta fotoner med en våglängd på 178 nm . Denna signal fångas i fotomultiplikatorrör (PMT) och kallas signal S1. Denna teknik är tillräckligt känslig för att detektera enstaka fotoelektroner. [1] Det elektriska fältet som passerar genom installationen säkerställer rekombinationen av alla elektroner som bildades efter interaktion med laddade partiklar i TPC. Dessa elektroner förskjuts uppåt av området med flytande xenon under inverkan av ett elektriskt fält. Sedan förskjuts joniseringspartiklarna in i området för det gasformiga tillståndet av ett mycket starkare elektriskt fält. Detta fält accelererar elektronerna tills de bildar en proportionell scintillationssignal, som är fixerad i FUT och betecknad som S2 .
Detektorn gör det möjligt att få en fullständig tredimensionell bild av partikelinteraktionsprocessen. [2] . Elektroner i området för flytande xenon har en enhetlig förskjutningshastighet till det övre området. Detta låter dig bestämma djupet av händelsen, där interaktionen inträffade, på grund av fördröjningar mellan signalerna S1 och S2. Den exakta platsen för händelsen i xy-koordinatskalan erhålls genom att beräkna antalet fotoner som fångades av var och en av FUT:erna. I den fullständiga tredimensionella bilden är koordinatmärket (fiduktionsområdet) i detektorn området nära bottenväggen av den temporära projektionskammaren i området för flytande material. I denna fiduktionsregion reduceras antalet främmande händelser avsevärt jämfört med regionen där de aktivt detekteras genom egenskaperna hos flytande xenon. Detta gör det möjligt att få en mycket högre känslighet vid registrering av mycket sällsynta händelser.
Det förväntas att de laddade partiklarna som flyger genom detektorns kropp kommer att interagera med både elektronerna i xenonatomer och själva kärnorna i xenonatomerna. För en specifik mängd energi som tillförs av partikelkollisioner i detektorn, med hjälp av S2/S1-förhållandet, kan man peka ut och specifikt beskriva händelserna i själva kärnkrafts- och elektroniska kollisioner. [3] Detta förhållande förväntas vara större för elektroniska kollisioner än för kärnkraftskollisioner.
Teorin är att en mörk materia partikel som träffar atomerna i tanken kommer att frigöra fotoner och elektroner som kan fångas som ljusblixtar. Sådana signaler registrerades först den 16 juni 2020, och de kan bli en bekräftelse på existensen av mörk materia. [fyra]
XENON10-experimentet utfördes i Gran Sasso Underground Laboratory i mars 2006. Den underjordiska placeringen av laboratoriet gav en avskärmning motsvarande ett 3100 meter tjockt vattenlager. Dessutom var själva detektorn ytterligare avskärmad för att ytterligare minska bakgrundsljudet på det militärindustriella komplexet. I allmänhet betraktades XENON10 som en prototyp av detektorn, dess huvudsakliga syfte var att bevisa effektiviteten av själva XENON-konceptet, samt att kontrollera uppnåbarheten av vissa gränsvärden, känslighet och bakgrundsstyrka. XENON10-detektorn innehöll 15 kilo flytande xenon. Måtten på den känsliga volymen av VPC var 20 cm i diameter och 15 cm i höjd [5] .
Den andra fasen av detektorn, kallad XENON100, innehöll redan 165 kg flytande xenon, varav 62 kg var i målområdet, och resten fanns i den "aktiva veto"-sensorn. VPK var 30 cm i diameter och 30 cm hög.
Byggandet av den tredje fasen kallad XENON1T började i Hall B (Hall B) i Gran Sasso 2014. Detektorprojektet tillhandahåller 3,5 ton ultraradiorenat flytande xenon, varav mer än 1 ton kommer att falla på målområdet. Detektorn placeras i ett vattenfyllt skal som är 10 meter högt, vilket kommer att fungera som ett "muon-veto". VPK kommer att vara 1 m i diameter och samma höjd.
På detektorn är det planerat att studera och testa några teoretiska modeller som är kandidater för supersymmetri, såsom CMSSM [6] .