Пошуки частинок темної матерії за допомогою детектора LUX виявилися безрезультатними
85 днів пошуків частинок загадкової темної матерії, які проводилися в рамках експерименту Large Underground Xenon (LUX) за допомогою датчика, розташованого на глибині понад півтора кілометрів нижче поверхні Південної Дакоти, не дали жодних результатів. "Порожні" дані проведеного експерименту, по суті, виключають факт існування частинок темної матерії з енергією порядку 8.6 Гев, "натяки" на присутність яких містилися у даних деяких інших експериментів.
Датчик експерименту LUX є найбільш чутливим на сьогоднішній день детектором, здатним зареєструвати невловимі WIMP-частинки (Weakly Interacting Massive Particle), масивні частинки, слабко взаємодіють з матерією навколишнього середовища. Цей датчик розташований на глибині 1480 метрів під землею в приміщеннях Стенфордського підземного дослідницького центру (Sanford Underground Research Facility) в Південній Дакоті.
Власне датчик являє собою циліндр діаметром 7.6 метра і висотою 6.1 метра, який заповнений очищеною водою, з якої були видалені всі іони. Цей шар води захищає сенсор від впливу випромінювання радіації, що виробляються зовнішніми джерелами, радіоактивними речовинами, які містяться в гірських породах, і від космічного випромінювання, яке і без того ослаблене майже в мільярд разів товщею гірських порід зверху датчика.
Всередині датчика міститься ємність, в якій знаходиться 370 кілограмів рідкого ксенону, 118 кілограм з яких знаходяться в обсязі основного сцинтилятора датчика, в місці, де світло від зіткнення атомів ксенону з іншими частинками вловлюється високочутливими фотодатчиками. Решта ксенону служить для організації охолодження датчика і для додаткового огорожі обсягу сцинтилятора від матеріалу конструкцій самого датчика, які, хай і небагато, але теж є радіоактивними.
Активна область датчика має діаметр 47 сантиметрів і 48 сантиметрів у висоту. Коли частинки, включаючи частинки темної матерії, що прибувають ззовні, стикаються з атомами ксенону, ці атоми роблять коротку спалах білого світла. Такі події вчені умовно назвали подією S1.
Іонізація атомів ксенону може відбуватися в тому випадку, коли частинка, яка прибула ззовні, має досить велику енергію. Для визначення випадків іонізації весь внутрішній об'єм датчика знаходиться під впливом електричного поля, силою 181/див. Електрони, вивільнені в ході процесу іонізації, рухаються вгору під впливом електричного поля і виробляють другий імпульс світла, подія S2. Вимірюючи час між подіями S1 і S2, вчені обчислюють відстань між місцями, в яких відбулися ці події, а місце, в якому відбулася подія S1, визначається за допомогою аналізу сигналів від матриці з 61 датчика-фотопомножувача.
Досить довго вчені проводили збір "холостих" даних, які забезпечили вимірювання рівня природного фону високоенергетичних частинок під землею. Вони визначили, що за 85 днів проведення експерименту датчик може зареєструвати близько 1000 фонових другорядних подій, дані від яких не будуть мати належних характерних підписів, що дозволить без особливих праць відокремити такі події від дійсно важливих подій.
В результаті всього цього, протягом 85 днів проведення експерименту було зареєстровано близько 84 мільйонів подій. З цього величезного обсягу даних методом фільтрації були прибрані незначущі події, коли точки S1 і S2 розташовувалися неприпустимо близько за часом. В результаті з 84 мільйонів було залишено тільки 6.6 мільйонів записів про минулі події. Після такої попередньої фільтрації вчені з допомогою більш жорстких методів фільтрації прибрали ще масу не дуже достовірних даних, що залишила їм для аналізу близько 160 подій, по дві події на день експерименту.
Незважаючи на малу кількість зібраних достовірних даних, її, цієї кількості цілком достатньо для того, щоб виключити факт існування WIMP-частинок з енергією 8.6 Гев, які нібито були помічені в ході експерименту CDMS II, проведеного вченими з Берклі. Враховуючи площу ефективного поперечного перерізу датчика LUX, цей датчик повинен був зареєструвати близько 1550 подій, які мають відношення до частинок темної матерії, але дослідникам так і не вдалося виявити жодної такої події. Ці дані повністю суперечать даним експерименту CDMS II, що дозволяє зробити висновок про помилку, допущену в ході виконання одного з експериментів, і, враховуючи те, що експеримент LUX дозволив отримати кількість даних, на 2 порядки перевищує кількість даних, зібраних експериментом CDMS II, експеримент CDMS II повинен бути визнаний помилковим.
Незважаючи на відсутність доказів існування темної матерії в даних експерименту LUX, цей експеримент дозволить вченим звузити область пошуку темної матерії. А вчені, які працюють в рамках експерименту LUX, збираються провести другий, більш тривалий збір даних, який дозволить їм ще точніше переконатися у відсутності WIMP-частинок з енергією 8.6 Гев, часток матерії, слабо взаємодіють з частинками звичайної матерії.