PandaX

Детектор частиц и астрофизического ксенона, или PandaX, представляет собой эксперимент по обнаружению темной материи в подземной лаборатории Цзиньпин (CJPL) в провинции Сычуань, Китай. Эксперимент проводится в самой глубокой подземной лаборатории в мире и является одной из крупнейших в своем роде.

Участники

Эксперимент проводится международной командой из примерно 40 ученых под руководством исследователей из китайского Шанхайского университета транспорта. Работа над проектом началась в 2009 году с участием исследователей из Шанхайского университета транспорта, Шаньдунского университета, Шанхайского института прикладной физики ( zh ) и Китайской академии наук. Два года спустя к нам присоединились исследователи из Мэрилендского, Пекинского и Мичиганского университетов. В команду PandaX также входят сотрудники компании Ertan Hydropower Development. Ученые из Научно-технического университета Китая, Китайского института атомной энергии и Университета Сунь Ят-Сена присоединились к PandaX в 2015 году.

Проект и конструкция

PandaX — это эксперимент по прямому обнаружению, состоящий из двухфазного ксенонового детектора с время-проекционной камерой (TPC). Использование как жидкой, так и газообразной фаз ксенона, аналогично экспериментам с XENON и LUX, позволяет определять местоположение событий и исключать из рассмотрения события гамма-излучения. Помимо поиска событий темной материи, PandaX предназначен для обнаружения безнейтринного двойного бета-распада Xe-136.

Лаборатория

PandaX находится в Китайской подземной лаборатории Цзиньпин (CJPL), самой глубокой подземной лаборатории в мире на глубине более 2400 метров (1,5 миль) под землей. Глубина лаборатории означает, что эксперимент лучше защищен от влияния космических лучей, чем аналогичные детекторы, что упрощает масштабирование прибора. Мюонный поток в CJPL составляет 66 событий на квадратный метр в год, по сравнению с 950 с на Sanford Underground Research Facility, где проводился эксперимент LUX, и 8030 в лаборатории Гран-Сассо в Италии, где находится детектор XENON. Мрамор в Цзиньпине также менее радиоактивен, чем камень в Хоумстейк и Гран-Сассо, что еще больше снижает частоту ложных срабатываний. Вольфганг Лорензон, научный сотрудник из Мичиганского университета, заметил, что «большим преимуществом является то, что PandaX намного дешевле и не требует такого большого количества защитного материала», как аналогичные детекторы.

Операционные этапы

Как и в большинстве случаев физики с низким уровнем фона, в этом эксперименте создается несколько поколений детекторов, каждое из которых служит прототипом для следующего. Больший размер обеспечивает большую чувствительность, но это полезно только в том случае, если нежелательные «фоновые события» могут не заглушать желаемые; Также требуются еще более строгие ограничения на радиоактивное загрязнение. Уроки, извлеченные предыдущими поколениями, используются для построения последующих.

Первое поколение, PandaX-I, работало до конца ноября 2014 года. Было использовано 120 кг ксенона (из них 54 кг служили исходной массой) для исследования режима малой массы (<10 ГэВ ) и проверки сигналов темной материи, полученные в результате других экспериментов с детекторами. PandaX-I был первым экспериментом с темной материей в Китае, где в детекторе использовалось более 100 кг ксенона, а его размер уступал только эксперименту LUX в США.

PandaX-II, построенный в марте 2015 г. и работающий в настоящее время, использует 500 кг ксенона (примерно 300 кг исходной массы) , чтобы исследовать диапазон энергий 10-1000 ГэВ. PandaX-II использует экран, внешний сосуд, криогенику, оборудование для очистки и общую инфраструктуру из первой версии, но имеет гораздо большую проекционную камеру, внутренний сосуд из нержавеющей стали более высокой чистоты (гораздо менее загрязнённый радиоактивным 60Co) и криостат.

Стоимость строительства PandaX оценивается в 15 миллионов долларов США, при начальной стоимости 8 миллионов долларов США на первом этапе.

PandaX-II представил некоторые предварительные физические результаты во время короткого запуска в конце 2015 года (с 21 ноября по 14 декабря) перед основным запуском, который продолжался до 2018 года.

PandaX-II значительно более чувствителен, чем детекторы 100-кг XENON100 и 250-кг LUX. XENON100 в Италии за три-четыре года до 2014 года показал самую высокую чувствительность в широком диапазоне масс WIMP, но PandaX-II превзошёл его. Самые последние результаты по спин-независимому сечению рассеяния вимп-нуклонов на PandaX-II были опубликованы в 2017 году В сентябре 2018 года эксперимент XENON1T за 278,8 дней сбора данных и установил новый рекордный предел для независимого от спина упругого взаимодействия WIMP-нуклонов.

Следующие этапы PandaX называются PandaX-xT. Промежуточная ступень с четырехтонной мишенью (PandaX-4T) строится в лаборатории второго этапа CJPL-II. Конечная цель - создать детектор темной материи третьего поколения, который будет содержать тридцать тонн ксенона в чувствительной области.

Первые результаты

Большая часть экспериментального оборудования PandaX была перевезена из Шанхайского университета транспорта в китайскую подземную лабораторию Цзиньпин в августе 2012 года, а в 2013 году были проведены два инженерно-технических испытания. Первый сбор данных (PandaX-I) начался в мае 2014 года. Результаты этого запуска были опубликованы в сентябре 2014 года в журнале Science China Physics, Mechanics & Astronomy. В первоначальном прогоне было зарегистрировано около 4 миллионов необработанных событий, из которых около 10 000 находятся в ожидаемой области энергий для темной материи WIMP. Из них только 46 событий были зарегистрированы в тихом внутреннем ядре ксеноновой мишени. Эти события соответствовали фоновому излучению, а не темной материи. Отсутствие наблюдаемого сигнала темной материи в прогоне PandaX-I накладывает серьезные ограничения на ранее сообщаемые сигналы темной материи из аналогичных экспериментов.

Реакция научного сообщества

Стефан Функ из Национальной ускорительной лаборатории SLAC подверг сомнению целесообразность проведения множества отдельных экспериментов по прямому обнаружению темной материи в разных странах, комментируя, что «тратить все наши деньги на различные эксперименты по прямому обнаружению не стоит». Сяндун Цзи, представитель PandaX и физик из Шанхайского университета Цзяо Тонг, признает, что международное сообщество вряд ли поддержит более двух многотонных детекторов, но утверждает, что наличие множества работающих групп приведет к более быстрому совершенствованию технологии обнаружения. Ричард Гайтскелл, представитель эксперимента LUX и профессор физики в Университете Брауна, прокомментировал: «Я очень рад видеть, что Китай разрабатывает программу фундаментальной физики».