Группа исследователей из Мичиганского университета провела эксперимент, который может значительно улучшить чувствительность детекторов к нейтрино и, возможно, к тёмной материи. Результаты исследования, опубликованные в Physical Review D, демонстрируют, что тонкая настройка экспериментальной установки позволяет более точно измерять ядерную отдачу под действием нейтронного пучка, что, в свою очередь, обеспечивает правильную калибровку детекторов.

Нейтрино и тёмная материя являются двумя трудноизмеримыми формами материи, которые имеют большое значение для понимания физики элементарных частиц и экспериментальной космологии. Нейтрино — крошечные субатомные частицы, которые лишь изредка взаимодействуют с другой материей посредством слабых ядерных сил. Тёмная материя, в свою очередь, оказывает гравитационное воздействие на видимую материю, но не поглощает, не отражает и не испускает свет.

Для обнаружения нейтрино и тёмной материи используются детекторы из высокочистого германия (HPGe), которые охлаждаются до 77 Кельвинов для минимизации шума сигнала от атомных колебаний. Эти детекторы используют большое ядро тяжёлого металла для увеличения вероятности столкновений. Чтобы точно обнаружить эти крошечные возмущения, детекторы должны сначала измерить и понять ядерную отдачу под действием нейтронного пучка.

й

Экспериментальная установка в Лаборатории Университета штата Огайо. Детектор из высокочистого германия (HPGe) находится на пути нейтронного пучка, а сцинтилляционный детектор из иодида натрия (NaI) расположен сбоку от пучка. 
Источник: Applied Nuclear Science Group (Prof. Jovanovic)

В рамках исследования была измерена реакция ядер германия на ядерные отдачи 254 электрон-вольт (эВ), или около одной четверти кэВ. Два предыдущих эксперимента по измерению ядерной отдачи при той же энергии дали противоречивые результаты ионизации. Чтобы согласовать предыдущие экспериментальные различия, исследователи сохранили необработанные выходные данные как с детектора HPGe, так и с внешнего сцинтилляционного детектора на основе иодида натрия (NaI), используя усовершенствованные цифровые электронные записывающие устройства.

«Излучение — это средство, с помощью которого мы наблюдаем Вселенную, будь то в Большом адронном коллайдере, экспериментах с тёмной материей или ядерных экспериментах. Понимание того, как это излучение взаимодействует с материей, существенно влияет на нашу способность интерпретировать результаты измерений», — сказал Игорь Йованович, профессор ядерной инженерии и радиологических наук в Мичиганском университете и соавтор исследования.

Использование необработанных выходных данных улучшило анализ формирования, устранив любые смещения обработки сигнала, и позволило проанализировать одни и те же данные с использованием нескольких алгоритмов для поиска оптимального метода. Результаты показали, что выход ионизации на 50% выше, чем предполагалось ранее, что значительно увеличило чувствительность детекторов из высокочистого германия к обнаружению тёмной материи или нейтрино.

«Наши результаты могут значительно повысить чувствительность коммерчески доступных детекторных технологий для обнаружения нейтрино и повлиять на результаты нескольких текущих экспериментов с нейтрино», — сказал Александр Кавнер, ведущий автор исследования.

Эксперимент проводился в Лаборатории ядерного реактора Университета штата Огайо.