PandaX - найглибший експеримент, спрямований на виявлення частинок темної матерії
На глибині 2004 метрів нижче рівня моря під товщею гір, що знаходяться в провінції Сичуань, Китай, команда вчених та інженерів починають вводити в дію наукове обладнання, метою роботи якого є безпосереднє виявлення частинок самої загадкової матерії у Всесвіті, частинок темної матерії. Через нетривалий час експерименту датчики PandaX (Particle and Astrophysical Xenon) почнуть збирати величезні масиви наукової інформації в якій вчені будуть шукати докази існування невловимих частинок, які є основою темної матерії, на частку якої припадає понад 84 відсотків від матерії Всесвіту.
Свого часу вчені-фізики висунули гіпотезу про існування темної матерії для пояснення феномена відсутньої маси Всесвіту. Цей феномен проявляється в тому, що галактики виробляють більш сильні гравітаційні сили, ніж можна пояснити з урахуванням маси їх звичайної видимої матерії. Поточна теорія про темної матерії полягає в тому, що темна матерія складається з масивних частинок, слабо взаємодіючих зі звичайною матерією, так званих WIMP-частинок (weakly interacting massive particles), які взаємодіють з нормальною матерією тільки через сили гравітації і сили слабких взаємодій, фундаментальних сил, діючих на дуже малих відстанях і відповідальних за процеси ядерного розпаду.
Якщо WIMP-частка стикається з ядром атома звичайного речовини, то в теорії вона може вступити з ним у взаємодію, яка стане причиною випромінювання фотонів світла і потоку інших частинок, факт наявності яких може послужити доказом фактом зіткнення. Але, на жаль, такі випадки досить рідкісні, і на наявних в даний час датчиках реєструється не більше трьох-чотирьох подібних подій на рік.
Вибір місця проведення експерименту PandaX далеко не випадковий. Область, де проводяться експерименти по прямому виявлення WIMP-частинок, повинна бути добре захищена від космічного випромінювання та джерел інших частинок, які помилково можуть бути прийняті за WIMP-частинки. Нова підземна лабораторія в Китаї є найглибшою лабораторією в світі. Товща гірських порід, які оточують приміщення лабораторії, надійно захищає датчики та обладнання не тільки від космічних променів, але і від інших джерел випромінювання на поверхні Землі. Крім цього, породи, навколишні лабораторію, є однією з різновидів мармуру, у складі якого практично відсутні радіоактивні елементи, здатні стати джерелом помилкових сигналів.
Слід зауважити, що експеримент PandaX є ще одним з декількох подібних експериментів, спрямованих на пошуки частинок темної матерії, які вже працюють або які планується розпочати найближчим часом. Ключовим елементом установки експерименту PandaX є ємність, заповнена ксеноном, охолодженим до рідкого стану. В даний час обсяг цієї ємності здатний вмістити 1 тонну рідкого ксенону, але для проведення другої фази експерименту об'єм ємності буде збільшено і кількість ксенону складе 2.4 тонни.
Якщо WIMP-частка зштовхнеться з ядром атома ксенону в межах ємності установки PandaX, це призведе до емісії фотонів світла, які будуть виявлені за допомогою високочутливих датчиків-фотоумножителей. Крім цього, зіткнення стане джерелом певної кількості вільних електронів, які пройдуть через рідкий ксенон з певною швидкістю. Порівнюючи сигнали від детекторів фотонів і електронів, вчені зможуть точно з'ясувати точку простору, в якій сталося зіткнення, час зіткнення і деякі інші параметри. Оскільки матеріал стінок ємності сам по собі випускає радіоактивні частинки, то вчені будуть приймати в розрахунок тільки ті події, які відбулися в центральній частині резервуара з рідким ксеноном.
Слід зауважити, що заявлений обсяг рідкого ксенону робить експеримент PandaX не тільки рекордсменом за глибиною проведення, але і за обсягом робочої рідини теж. Збір перших даних почнеться одразу ж по завершенню монтажу і тестування обладнання, а появи перших результатів експерименту слід чекати ближче до кінця цього року. Якщо все обладнання і ідея, закладена в експерименті, будуть працювати належним чином, то у невловимих WIMP-частинок залишиться менше місця, щоб ховатися від цікавого погляду вчених.