Experimentella resultat från detektorn för mörk materia XENON1T begränsar den effektiva storleken av mörk materia partiklar till 4,1X10-47 kvadratcentimeter – en biljondel av en biljondels centimeter i kvadrat – den strängaste gränsen som hittills fastställts för mörk materia som fastställts av världens känsligaste detektorn.

Resultaten, presenterades i måndags vid ett seminarium i Italien på Gran Sasso Underground Laboratory (LNGS), producerades med en aktiv målvolym på 1, 300 kg Xenon, det första sökandet efter mörk materia som har övervakat motsvarande ett ton xenon under ett helt år.

"Vi har nu den snästa gränsen för det som kallas "WIMP-nukleonets tvärsnitt, som är ett mått på den effektiva storleken på mörk materia, eller hur starkt det interagerar med normal materia, sa Ethan Brown, en medlem av XENON Collaboration, och biträdande professor i fysik, tillämpad fysik, och astronomi vid Rensselaer Polytechnic Institute. "Med dessa resultat, vi har nu testat många nya teoretiska modeller av mörk materia och lagt de starkaste begränsningarna för dessa modeller hittills."

Mörk materia är teoretiserad som en av universums grundläggande beståndsdelar, fem gånger rikligare än vanlig materia. Men eftersom de mörka materiepartiklarna kallas "svagt interagerande massiva partiklar, " eller "WIMPs, "kan inte ses och interagerar sällan med vanlig materia, deras existens har aldrig bekräftats.

Flera astronomiska mätningar har bekräftat förekomsten av mörk materia, leder till en världsomspännande ansträngning att direkt observera mörk materia partikelinteraktioner med vanlig materia. Fram till idag, interaktionerna har visat sig så svaga att de har undgått direkt upptäckt, tvingar forskare att bygga allt känsligare detektorer.

Sedan 2002, XENON-samarbetet, med 165 forskare från 12 länder, har drivit tre successivt känsligare flytande xenondetektorer i LNGS i Italien, och XENON1T är dess mest kraftfulla satsning hittills och den största detektorn i sitt slag som någonsin byggts. Partikelinteraktioner i flytande xenon skapar små ljusblixtar, och detektorn är avsedd att fånga blixten från det sällsynta tillfälle då en mörk materia partikel kolliderar med en xenonkärna.

Resultaten analyserar 279 dagars data, enligt Elena Aprile, professor vid Columbia University och projektledare. Under tiden, endast två bakgrundshändelser förväntades i den innersta, den renaste delen av detektorn. Dock, inga händelser upptäcktes, vilket tyder på att partiklar av mörk materia måste vara ännu mindre än man tidigare trott. En del av dataanalysen genomfördes på Rensselaer, eftersom forskare från samverkande institut runt om i världen samlades vid institutet sent under 2018 för att granska data och slutföra analysrutiner som skulle eliminera irrelevant information från den insamlade datan.

Detektorns känslighet är en funktion av dess storlek och dess "tystnad". Även om interaktioner med mörk materia är sällsynta, interaktioner med andra former av materia är vanliga, och en känslig detektor är utformad för att minimera dessa interaktioner. För att skydda den från naturlig radioaktivitet i grottan, detektorn (en så kallad Liquid Xenon Time Projection Chamber) sitter i en kryostat nedsänkt i en tank med vatten. Ett berg ovanför det underjordiska laboratoriet skyddar detektorn ytterligare från kosmiska strålar.

Även med avskärmning från omvärlden, föroreningar sipprar in i xenonet från materialen som används i själva detektorn och, bland hans bidrag, Brown är ansvarig för ett sofistikerat reningssystem som kontinuerligt skrubbar xenonet i detektorn. Allt eftersom storleken på detektorer har vuxit, det har också komplexiteten i reningssystemet – inte bara finns det mer xenon att rengöra, men den måste hållas renare så att ljus och laddning kan röra sig genom detektorns större volym. I den nuvarande fasen, Brown sa att hans team "skalade upp, lägga till fler pumpar och fler renare" till systemet.

"Vårt arbete har upprätthållit en hög renhetsnivå för den största kvantiteten xenon under den längsta tidsperioden någonsin, " sa Brown. "Det är en prestation som gör att andra experiment kan bygga vidare på prestandan hos detta reningssystem."

I nästa fas, Brown kommer att introducera en ny lösning, en nydesignad pump byggd med ultrarena delar i hans laboratorium på Rensselaer i samarbete med forskare vid Stanford och vid Muenster University i Tyskland. Där de nuvarande pumparna bidrar med en tredjedel till hälften av det totala radonet i experimentet, de nya pumparna kommer att vara i stort sett radonfria, tar bort ett av de största bidragen till bakgrunden.