Experimentele resultaten van de XENON1T-detector voor donkere materie beperken de effectieve grootte van donkere materiedeeltjes tot 4,1x10-47 vierkante centimeter - een biljoenste van een biljoenste van een vierkante centimeter - de strengste limiet die tot nu toe is vastgesteld voor donkere materie, zoals vastgesteld door 's werelds meest gevoelige detector.

De resultaten, maandag gepresenteerd tijdens een seminar in Italië in het Gran Sasso Underground Laboratory (LNGS), werden geproduceerd met een actief doelvolume van 1, 300 kilogram Xenon, de eerste zoektocht naar donkere materie die het equivalent van één ton xenon een heel jaar lang heeft gevolgd.

"We hebben nu de strakste limiet voor wat bekend staat als 'de WIMP-nucleon-dwarsdoorsnede, ' wat een maat is voor de effectieve grootte van donkere materie, of hoe sterk het interageert met normale materie, " zei Ethan Brown, een lid van de XENON-samenwerking, en assistent-professor natuurkunde, Toegepaste fysica, en astronomie aan het Rensselaer Polytechnic Institute. "Met deze resultaten we hebben nu veel nieuwe theoretische modellen van donkere materie getest en tot nu toe de sterkste beperkingen op deze modellen gesteld."

Donkere materie wordt getheoretiseerd als een van de basisbestanddelen van het universum, vijf keer overvloediger dan gewone materie. Maar omdat de donkere materiedeeltjes die bekend staan ​​als "zwak interagerende massieve deeltjes, " of "WIMP's, " kan niet worden gezien en heeft zelden interactie met gewone materie, hun bestaan ​​is nooit bevestigd.

Verschillende astronomische metingen hebben het bestaan ​​van donkere materie bevestigd, wat leidde tot een wereldwijde poging om interacties van donkere materiedeeltjes met gewone materie direct te observeren. Tot op heden, de interacties zijn zo zwak gebleken dat ze aan directe detectie zijn ontsnapt, dwingen wetenschappers om steeds gevoeligere detectoren te bouwen.

Sinds 2002, de XENON-samenwerking, met 165 wetenschappers uit 12 landen, heeft drie achtereenvolgens gevoeligere vloeibare xenondetectoren in LNGS in Italië gebruikt, en XENON1T is de krachtigste onderneming tot nu toe en de grootste detector in zijn soort ooit gebouwd. Deeltjesinteracties in vloeibaar xenon creëren kleine lichtflitsen, en de detector is bedoeld om de flits vast te leggen van het zeldzame geval waarin een donkeremateriedeeltje in botsing komt met een xenonkern.

De resultaten analyseren 279 dagen aan gegevens, volgens Elena Aprile, een professor aan de Columbia University en projectleider. Gedurende die tijd, slechts twee achtergrondgebeurtenissen werden verwacht in het binnenste, schoonste gebied van de detector. Echter, er zijn geen gebeurtenissen gedetecteerd, wat suggereert dat donkere materiedeeltjes nog kleiner moeten zijn dan eerder werd gedacht. Een deel van de data-analyse is uitgevoerd bij Rensselaer, terwijl wetenschappers van samenwerkende instituten over de hele wereld eind 2018 bijeenkwamen in het Instituut om gegevens te beoordelen en analyseroutines af te ronden die irrelevante informatie uit de verzamelde gegevens zouden verwijderen.

De gevoeligheid van de detector is een functie van zijn grootte en zijn "stilte". Hoewel interacties met donkere materie zeldzaam zijn, interacties met andere vormen van materie komen vaak voor, en een gevoelige detector is ontworpen om die interacties te minimaliseren. Om het te beschermen tegen natuurlijke radioactiviteit in de grot, de detector (een zogenaamde Liquid Xenon Time Projection Chamber) zit in een cryostaat ondergedompeld in een tank met water. Een berg boven het ondergrondse laboratorium beschermt de detector verder tegen kosmische straling.

Zelfs met afscherming van de buitenwereld, verontreinigingen sijpelen in het xenon van de materialen die in de detector zelf worden gebruikt en, onder zijn bijdragen, Brown is verantwoordelijk voor een uitgekiend zuiveringssysteem dat continu het xenon in de detector schrobt. Naarmate de grootte van detectoren is gegroeid, dat geldt ook voor de complexiteit van het zuiveringssysteem - er is niet alleen meer xenon om te reinigen, maar het moet schoner worden gehouden zodat licht en lading door het grotere volume van de detector kunnen bewegen. In de huidige fase is Brown zei dat zijn team "opgeschaald, het toevoegen van meer pompen en meer luchtreinigers" aan het systeem.

"Ons werk heeft een hoge mate van zuiverheid behouden voor de grootste hoeveelheid xenon gedurende de langste periode ooit, "zei Brown. "Het is een prestatie waarmee andere experimenten kunnen voortbouwen op de prestaties van dit zuiveringssysteem."

In de volgende fase, Brown zal een nieuwe oplossing introduceren, een nieuw ontworpen pomp gebouwd met ultraschone onderdelen in zijn laboratorium in Rensselaer in samenwerking met onderzoekers van Stanford en aan de Universiteit van Muenster in Duitsland. Waar de huidige pompen een derde tot de helft van het totale radon in het experiment bijdragen, de nieuwe pompen zullen in wezen radonvrij zijn, het verwijderen van een van de grootste bijdragen aan de achtergrond.