Поймать тёмную материю: исследование с помощью ксенона и газовых детекторов

В последние десятилетия ученые по всему миру ищут ответы на вопросы о природе тёмной материи в космосе. Эта загадочная форма материи составляет около 85% всей материи во Вселенной, но до сих пор она остается невидимой и недоступной для прямого наблюдения. Одним из наиболее эффективных инструментов для её поиска являются ксеноновые детекторы, которые используются в подземных лабораториях по всему миру

Ксеноновые детекторы используются для регистрации взаимодействия тёмной материи с обычной материей. Для этого в детекторе находится большое количество ксенона, который при взаимодействии с тёмной материей выделяет энергию и создает слабый сигнал. Именно этот сигнал обнаруживается детектором. Эти детекторы очень чувствительны к любому взаимодействию ксенона с тёмной материей, что делает их очень эффективными инструментами для её поиска.

Одним из самых известных ксеноновых детекторов является детектор LUX, который находится в подземной лаборатории Sanford в Южной Дакоте, США. В 2016 году LUX закончил свою работу и был заменен на более чувствительный детектор, названный LUX-ZEPLIN (LZ). Детектор LZ использует 10 тонн ксенона, что делает его одним из самых больших ксеноновых детекторов в мире. Ожидается, что он будет в 100 раз чувствительнее, чем его предшественник, что даст надежду на более успешное обнаружение тёмной материи.

В других странах также создаются ксеноновые детекторы для поиска тёмной материи, например, XENON1T и
XENONnT, находящиеся в Италии, и детекторы PandaX и DarkSide, находящиеся в Китае.

В 2014 году физики из Университета Шеффилда (Великобритания) предложили использовать ксенон в качестве «ловушки» для тёмной материи в космосе. Идея заключается в том, чтобы запустить в космос капсулу, наполненную ксеноном, и ожидать, что тёмная материя столкнется с молекулами ксенона. Если такое столкновение произойдет, то молекула ксенона изменит свою скорость, что можно зарегистрировать с помощью детектора на борту капсулы.

Ксенон также используется в космических миссиях для изучения тёмной материи. Например, в 2016 году NASA запустила миссию GAPS (Gamma-Ray Polarimetry Satellite), в которой ксенон используется в качестве детектора для регистрации взаимодействия тёмной материи с гамма-лучами. Ксенон обладает высокой чувствительностью к гамма-лучам, и благодаря этому может помочь в определении свойств тёмной материи.

Часто ксенон играет роль источника калибровки для других типов детекторов. Ксенон имеет ряд стабильных изотопов, которые не подвержены радиоактивному распаду. Это позволяет использовать его в качестве стабильного источника сигнала, который можно использовать для настройки и калибровки других детекторов.

Например, при изучении тёмной материи в гравитационном линзировании, ксенон используется для калибровки оптических телескопов. Эти телескопы применяются для измерения искажений света, вызванных гравитационным влиянием массы тёмной материи. Ксенон позволяет проверить точность и качество измерений телескопов, что повышает достоверность результатов исследований.