Самая глубокая подземная лаборатория для поиска тёмной материи кратно повысила чувствительность детекторов

В декабре 2023 года сообщалось, что в Китае запущен новый научный объект — самая глубокая в мире лаборатория для поиска тёмной материи и других открытий. На днях в журнале Nature вышла статья, из которой стало известно больше подробностей о готовящихся там экспериментах. На глубине 2400 м установлены датчики с кратно повышенной чувствительностью для детектирования кандидатов в элементарные частицы тёмного вещества.

Первая очередь детекторов в подземной лаборатории в горном массиве Цзиньпин в Китае — в тоннелях построенной там гидроэлектростанции — была запущена в 2010 году. Тогда же стартовали две экспериментальные установки: CDEX (China Dark Matter Experiment) и PandaX (Particle and Astrophysical Xenon Detector).

Детектор CDEX представляет собой твердотельный полупроводниковый датчик в виде 10 кг чистого германия в кристаллическом состоянии. Считается, что 10 кг чувствительной среды способно уловить одно событие в год. Датчик CDEX призван улавливать гипотетические WIMP-частицы (Weakly Interacting Massive Particles) в нижнем диапазоне масс.

Частицы тёмной материи или тёмного вещества, что правильнее с точки зрения определения природы этого явления, могут взаимодействовать с другими частицами только с помощью гравитации. Возможны редкие столкновения с передачей энергии атомам датчиков, что проявится в виде свечения. По интенсивности свечения и траектории можно вычислить параметры исходной частицы.

Поскольку Земля в своём орбитальном и галактическом движении должна пересекать потоки тёмной материи, то рано или поздно эти частицы проявят себя в детекторах. По мере создания новых датчиков и условий обнаружения мы постепенно создаём новые граничные условия физических состояний, которые могут соответствовать неуловимым и невидимым в электромагнитном диапазоне частицам тёмной материи.

Новый полупроводниковый датчик из германия в только что запущенной лаборатории CJPL-II (China Jinping Underground Laboratory-II) имеет массу около 100 кг, что на порядок повысило частоту возможной регистрации кандидатов в частицы тёмной материи. При этом созданы условия для дальнейшего повышения массы полупроводникового датчика примерно до одной тонны. Когда он будет создан, Китай окажется в этом впереди планеты всей.

Второй эксперимент опирается на датчик из ксенона, находящегося в двух фазовых состояниях — жидком и газообразном. Эксперимент PandaX стартовал со 120 кг. В новых залах лаборатории CJPL-II масса вещества в датчике PandaX-4T повышена до 4 т и в будущем вырастет до 40 или даже до 50 т. Сегодня самый чувствительный датчик такого плана у итальянцев в проекте LNGS XENONnT — он включает 8,6 т. В американском проекте LUX-ZEPLIN масса ксенона достигает 7 т. Для подобных экспериментов крайне важна повторяемость, чтобы отсеять случайные срабатывания детекторов.

В подземной лаборатории CJPL-II в Китае намного лучшие условия для экранирования датчиков от воздействия космических частиц. Также мрамор в китайских шахтах меньше фонит, чем в Европе и США, что также упрощает конструкцию и эксплуатацию датчиков. Неуловимой тёмной материи будет всё труднее и труднее скрываться от учёных и со временем они откроют, в чём её секрет.