Китайские физики намерены расширить и модернизировать подземную лабораторию Цзиньпин (Chinese Jinping Underground Observatory, CJPL), расположенную в провинции Сычуань, чтобы экспериментально обнаружить так называемую холодную темную материю. Об этом сообщает журнале Science.
По глубине залегания, 2400 метров, CJPL занимает первое место в мире, более чем на 300 метров опережая канадскую лабораторию SNOLAB в провинции Онтарио. После расширения она окажется на втором месте в мире по общему объему рабочих помещений, который составит 120 тысяч кубических метров. По этому показателю она уступит только итальянской лаборатории Гран-Сассо (180 тысяч кубометров).
Лаборатория Цзиньпин, которая входит в систему исследовательских центров пекинского университа Цинхуа, начала работать в 2010 году. Сейчас там осуществляются две исследовательские программы, посвященные поиску частиц темной материи. Один эксперимент проводится на детекторе PandaX (Particle and Astrophysical Xenon), где рабочим телом служат 37 килограммов жидкого ксенона. Этот проект дополняет China Dark Matter Experiment (CDEX), в котором задействован детектор на кристаллическом германии. Оба эксперимента направлены на регистрацию гипотетических массивных частиц, из которых, по современным представлениям, скорее всего состоит темная материя.
Команда проекта CDEX планирует увеличить массу германия в модернизированном приборе с одного до десяти килограммов. Планы их партнеров-конкурентов из проекта PandaX куда грандиозней. Их новый детектор будет использовать порядка 20 тонн жидкого ксенона и потому окажется гигантом среди ныне действующих установок этого типа. Обе установки предполагается запустить в 2016 году. Для сравнения: самый чувствительный из ныне действующих детекторов на ксеноне, принадлежащий коллаборации LUX, содержит только 370 килограммов жидкого ксенона. Правда, в 2017 году могут начаться эксперименты на евро-американском детекторе DARWIN на 25 тонн жидкого ксенона, но пока неясно, удастся ли его запустить в намеченный срок. В модернизированной лаборатории также установят ускоритель элементарных частиц, на котором будут изучаться реакции термоядерного синтеза, протекающие в ядрах звезд.
Китайские физики намерены вести поиск так называемой холодной темной материи. Ее гипотетические частицы не описываются общепринятой теорией элементарных частиц, известной как Стандартная модель. Предполагается, что их энергия покоя очень велика по сравнению с кинетической энергией (и, следовательно, их скорости намного уступают скорости света). Они взаимодействуют друг с другом и с обычной материей только посредством силы тяготения и слабого ядерного взаимодействия. Обычно их называют слабовзаимодействующими массивными частицами, или вимпами (Weakly Interacting Massive Particles, WIMPs).
Как показывают модельные вычисления, вимпы могут быть в десятки или, что вероятней, в сотни и тысячи раз тяжелее протона. Самые популярные претенденты на это звание предложены на основе теории суперсимметрии. Она утверждает, что у каждой частицы Стандартной модели есть так называемый суперпартнер (или суперпартнеры), чей спин на одну вторую отличается от ее собственного. Поэтому частицам с полуцелым спином, фермионам, соответствуют суперпартнеры с целым спином, бозоны, в то время как суперпартнерами бозонов являются фермионы. Суперчастицы могут распадаться, но самая легкая из них обязана быть стабильной. Именно ее считают лучшим кандидатом на роль частицы холодной темной материи и пытаются зарегистрировать в большинстве экспериментов. Из всех теоретически мыслимых версий такой частицы специалисты предпочитают нейтралино - квантовую смесь суперпартнеров фотона, Z-бозона и бозонов Хиггса.
Вимпы в принципе можно обнаружить, регистрируя их столкновения с ядрами обычного вещества, служащего рабочим телом детектора. На этом принципе работают все детекторы этих частиц, включая и китайские установки. В одном кубическом метре пространства вблизи земной поверхности может содержаться от нескольких сотен до нескольких тысяч вимпов. При столкновениях они теряют часть кинетической энергии и отдают ее детектору. Хоть такие столкновения могут происходить всего несколько раз в сутки, а выделяемая энергия очень мала, их можно не только зарегистрировать, но и отделить от столкновений с космическими лучами и земными радионуклидами.
Есть три основных способа прямой регистрации вимпов. Во-первых, при отскоке ядра могут излучаться кванты света (сцинтилляция), которые уловят фотоумножители. Во-вторых, при столкновении с вимпом атом может ионизироваться, то есть, потерять часть электронов, которые можно детектировать. В-третьих, если в качестве рабочего тела используется твердое вещество, например, германий или кремний, столкновения возбуждают колебания его кристаллической решетки, которые опять-таки можно отследить (чтобы их выделить из теплового фона, кристалл необходимо охладить почти до абсолютного нуля). В реальных экспериментах эти способы часто комбинируют. Так, в установках на жидком ксеноне, которые сейчас лидируют по части чувствительности, регистрируют как сцинтилляционные фотоны, так и электроны ионизации.
Источник иллюстрации: pcpop.com
