XENON este un proiect de cercetare pentru studiul materiei întunecate , care se desfășoară la laboratorul Gran Sasso din Italia . Laboratorul de cercetare este situat adânc în subteran, unde oamenii de știință efectuează experimente în încercarea de a identifica și studia particulele de materie întunecată. Cercetătorii cred că aceste particule masive care interacționează slab ( WIMP ) pot fi detectate prin captarea descompunerilor și perturbațiilor nucleare lichide într-o cameră închisă umplută cu xenon . Detectorul de curent constă dintr-o cameră de proiecție a timpului (TPC) în două faze.
Experimentul detectează scintilații și ionizări care apar ca urmare a interacțiunii particulelor cu xenonul lichid, ceea ce face posibilă dezvăluirea trecerii reacțiilor de descompunere nucleară. Remedierea unui astfel de fenomen va crea prima confirmare experimentală directă a existenței particulelor care sunt candidate pentru materia întunecată. În fruntea unui grup de cercetători se află un fizician italian - profesor la Universitatea Columbia, Elena Aprile .
Experimentul XENON folosește o cameră de proiecție a timpului în două faze (Camera de proiecție a timpului Camera de proiecție a timpului - TPC), care este umplută cu xenon lichid în partea de jos și xenon gazos în partea de sus . Două rețele de tuburi fotomultiplicatoare (PMT), una deasupra detectorului unde materia este în stare gazoasă (GXe) și cealaltă sub stratul de xenon lichid (LXe), asigură detectarea scintilațiilor și electroluminiscența luminii atunci când particulele încărcate interacționează cu materia . în detector. Zona cu substanța activă a detectorului (gaz lichid și gazos) este pătrunsă de câmpuri electrice. Câmpul electric din regiunea gazoasă trebuie să fie mult mai puternic pentru a putea trage electronii din regiunea cu materie lichidă.
Interacțiunile particulelor din materia lichidă dau naștere la scintilații și ionizări . Un fulger rapid de strălucire de scintilație generează radiații de fotoni ultravioleți cu o lungime de undă de 178 nm . Acest semnal este captat în tuburi fotomultiplicatoare (PMT) și este denumit semnal S1. Această tehnică este suficient de sensibilă pentru a detecta un singur fotoelectron. [1] Câmpul electric care trece prin instalație asigură recombinarea tuturor electronilor care s-au format după interacțiunea cu particulele încărcate din TPC. Acești electroni sunt deplasați în sus de regiunea cu xenon lichid sub acțiunea unui câmp electric. Apoi particulele de ionizare sunt deplasate în regiunea stării gazoase printr-un câmp electric mult mai puternic. Acest câmp accelerează electronii până când formează un semnal de scintilație proporțional, care este fixat în FUT și notat cu S2 .
Detectorul face posibilă obținerea unei imagini tridimensionale complete a procesului de interacțiune a particulelor. [2] . Electronii din regiunea xenonului lichid au o viteză uniformă de deplasare către regiunea superioară. Acest lucru vă permite să determinați adâncimea evenimentului, unde a avut loc interacțiunea, din cauza întârzierilor dintre semnalele S1 și S2. Locația exactă a evenimentului pe scara de coordonate xy este obținută prin calcularea numărului de fotoni care au fost capturați de fiecare dintre FUT. În imaginea completă tridimensională, marca de coordonate (zona de fiducție) din detector este zona din apropierea peretelui inferior al camerei de proiecție temporară în zona materiei lichide. În această regiune de fiducție, numărul de evenimente străine este semnificativ redus în comparație cu regiunea în care sunt detectate în mod activ prin proprietățile xenonului lichid. Acest lucru face posibilă obținerea unei sensibilități mult mai mari la înregistrarea unor evenimente foarte rare.
Este de așteptat ca particulele încărcate care zboară prin corpul detectorului să interacționeze atât cu electronii atomilor de xenon, cât și cu nucleii atomilor de xenon înșiși. Pentru o anumită cantitate de energie contribuită de ciocnirile de particule în detector, folosind raportul S2 / S1, se pot evidenția și descrie în mod specific evenimentele de coliziuni nucleare și electronice în sine. [3] Acest raport este de așteptat să fie mai mare pentru coliziunile electronice decât pentru cele nucleare.
Teoria este că o particulă de materie întunecată care lovește atomii din rezervor va elibera fotoni și electroni care pot fi capturați ca fulgerări de lumină. Astfel de semnale au fost înregistrate pentru prima dată pe 16 iunie 2020 și pot deveni confirmarea existenței materiei întunecate. [patru]
Experimentul XENON10 a fost realizat în Laboratorul Subteran Gran Sasso în martie 2006. Amplasarea subterană a laboratorului a asigurat o ecranare echivalentă cu un strat de apă de 3100 de metri grosime. În plus, detectorul în sine a fost protejat suplimentar pentru a reduce și mai mult zgomotul de fond pe complexul militar-industrial. În general, XENON10 a fost privit ca un prototip al detectorului, scopul său principal a fost de a dovedi eficiența conceptului XENON în sine, precum și de a verifica realizabilitatea anumitor valori limită, sensibilitate și putere de fundal. Detectorul XENON10 conținea 15 kilograme de xenon lichid. Dimensiunile volumului sensibil al VPC au fost de 20 cm în diametru și 15 cm în înălțime [5] .
A doua fază a detectorului, numită XENON100, conținea deja 165 kg de xenon lichid, dintre care 62 kg se aflau în zona țintă, iar restul se afla în senzorul „activ veto”. VPK avea 30 cm în diametru și 30 cm înălțime.
Construcția celei de-a treia etape numită XENON1T a început în Sala B (Sala B) din Gran Sasso în 2014. Proiectul detector prevede 3,5 tone de xenon lichid ultra-radiopurificat, din care mai mult de 1 tonă va cădea pe zona țintă. Detectorul este plasat într-o carcasă plină cu apă de 10 metri înălțime, care va acționa ca un „veto al muonului”. VPK-ul va avea 1 m în diametru și același în înălțime.
Pe detector, este planificată studierea și testarea unor modele teoretice care sunt candidate pentru supersimetrie, cum ar fi CMSSM [6] .