Ученые из Института ядерной физики INFN в Италии пытаются уловить крайне редкие взаимодействия гипотетических частиц темной материи с атомами жидкого ксенона. Эти сигналы могли бы дать представление о составе скрытой массы Вселенной. Главная сложность заключается в том, что даже ничтожные следы естественной радиоактивности создают фоновые события, способные маскировать такие взаимодействия.
Исследователям удалось заметно снизить влияние одного из самых опасных источников фона. Впервые за всю историю подобных экспериментов уровень радиоактивности, вызванный радоном, удалось уменьшить настолько, что он оказался в миллиард раз ниже естественной радиоактивности человеческого организма. Разработку системы возглавил профессор Кристиан Вайнхаймер из Университета Мюнстера.
Детектор XENONnT представляет собой установку массой 8,5 тонны, заполненную жидким ксеноном. Он охлаждается до температуры около минус 95 градусов Цельсия и размещен глубоко под землей, чтобы максимально уменьшить фоновые процессы. Исключительная чувствительность обеспечивается высокой чистотой ксенона и использованием материалов с крайне низким уровнем радиоактивности при конструировании. Однако даже следовые количества растворенного радона и его продуктов распада способны вызывать короткие вспышки света, внешне неотличимые от искомых сигналов. Радон образуется при распаде долгоживущих изотопов, возникших еще во время формирования Солнечной системы, и присутствует практически во всех материалах. В организме человека он также является одним из основных источников естественного облучения.
Чтобы свести помехи к минимуму, ученые создали криогенную систему дистилляции для непрерывной очистки ксенона. Она выборочно удаляет радон и снижает его концентрацию в рабочем объеме газа до 430 атомов на тонну жидкого ксенона.
Такие измерения выполнила группа исследователей из Института ядерной физики Общества Макса Планка в Гейдельберге. В результате число событий, вызванных радоном, стало сопоставимым с крайне редким фоном от солнечных нейтрино, которые рождаются при термоядерных реакциях внутри звезды и не могут быть экранированы. Благодаря этому удалось создать условия, при которых измерения проходят практически без радиоактивного фона.
Система открывает возможность построения детекторов следующего поколения, включая планируемую установку XLZD, которая будет в десять раз больше XENONnT. Увеличение масштаба должно еще сильнее повысить чувствительность эксперимента и приблизить физиков к разгадке одной из самых захватывающих тайн космоса.
