LANL: Разработка подходящих инструментов для поиска аксионных частиц

Внутри недавно сконструированного детектора CCM200 показаны 200 светочувствительных фотоумножителей (кружки) и внутренние стенки, покрытые специальным материалом для преобразования сцинтилляционного света аргона в видимый свет, который может быть обнаружен фотоумножителями и затем записан. системой сбора данных. Внешняя область вето отвергает события, поступающие извне, такие как космические лучи. Изображение предоставлено LANL

РЕЛИЗ НОВОСТЕЙ LANLС тех пор, как аксионы были впервые предсказаны теорией почти полвека назад, исследователи искали доказательства существования неуловимой частицы, которая может существовать за пределами видимой Вселенной, в темном секторе. Но как найти частицы, которые нельзя увидеть? Первые физические результаты эксперимента Coherent CAPTAIN-Mills в Лос-Аламосе, только что описанные в публикации в журнале Physical Review D, позволяют предположить, что эксперименты на ускорителе с жидким аргоном, изначально предназначенные для поиска подобных гипотетических частиц, таких как стерильные нейтрино , также может быть идеальной установкой для поиска скрытых аксионов.

«Подтверждение существования частиц темного сектора окажет глубокое влияние на понимание Стандартной модели физики элементарных частиц, а также на происхождение и эволюцию Вселенной», — сказал физик Ричард Ван де Уотер. «Особое внимание физического сообщества уделяется изучению способов обнаружения и подтверждения этих частиц. Эксперимент «Когерентный КАПИТАН-Миллс» объединяет существующие предсказания о частицах темной материи, таких как аксионы, с ускорителями частиц высокой интенсивности, способными создавать эту труднообнаружимую темную материю. иметь значение."

Теория физики предполагает, что только 5% Вселенной состоит из видимой материи — атомов, которые образуют вещи, которые мы можем видеть, осязать и чувствовать, — а остальные 95% — это комбинация материи и энергии, известная как темный сектор. Аксионы, стерильные нейтрино и другие вещества могут объяснить и объяснить всю или часть этой недостающей плотности энергии.

Существование аксионов также могло бы решить давнюю проблему Стандартной модели, которая описывает известное поведение субатомного мира. Аксионы, которые иногда называют «окаменелостями» Вселенной и предположительно возникли всего через секунду после Большого взрыва, также могут многое рассказать нам о моментах основания Вселенной.

Эксперимент Coherent CAPTAIN-Mills был одним из нескольких проектов, получивших финансирование Министерства энергетики на исследования темного сектора в 2019 году, а также значительное финансирование в рамках программы исследований и разработок под руководством лаборатории в Лос-Аламосе. Прототип детектора, получивший название CCM120, был построен и запущен во время лучевого цикла Лос-Аламосского нейтронного научного центра (LANSCE) в 2019 году. В публикации Physical Review D описаны результаты первоначального проектирования CCM120.

«Основываясь на первом исследовании КАПИТАНА-Миллса, эксперимент продемонстрировал возможность поиска аксионов», — сказал Билл Луис, также физик, участвующий в проекте в Лос-Аламосе. «Мы понимаем, что энергетический режим, обеспечиваемый протонным пучком в LANSCE, и конструкция детектора жидкого аргона предлагают неизведанную парадигму для исследования аксионоподобных частиц.

Рабочие опускают внутренний детектор CCM200 в криостат в июле 2021 года. Внутри 10-тонного резервуара с жидким аргоном фотоумножители улавливают свет, указывающий на потенциальное присутствие темной материи и нейтрино в детекторе CCM, которые производятся LANSCE с энергией 800 мегаэлектронвольт. протоны поражают вольфрамовую мишень в Центре Лухана. Фото предоставлено LANL

Эксперимент Coherent CAPTAIN-Mills, расположенный в Центре Лухан рядом с LANSCE, представляет собой 10-тонный переохлажденный детектор жидкого аргона. (CAPTAIN означает «Криогенный аппарат для прецизионных испытаний реакций аргона с нейтрино».)

Высокоинтенсивные протоны с энергией 800 мегаэлектронвольт, генерируемые ускорителем LANSCE, поражают вольфрамовую мишень в Центре Лухан, а затем проходят 23 метра через обширную стальную и бетонную защиту и достигают детектора, чтобы взаимодействовать с жидким аргоном.