Команда исследователей из Мичиганского университета осуществила эксперимент, способный существенно улучшить чувствительность детекторов к нейтрино и, возможно, к тёмной материи. Результаты данной работы, представленные в журнале Physical Review D, иллюстрируют, что тонкая настройка экспериментальной установки позволяет более точно измерять энергию ядерной отдачи под воздействием нейтронного потока. Это, в свою очередь, способствует точной калибровке детекторов.
Нейтрино и тёмная материя являются двумя крайне трудно уловимыми формами материи, которые имеют ключевое значение для понимания физики элементарных частиц и космологии. Нейтрино — это мельчайшие субатомные частицы, которые редко взаимодействуют с другими формами материи, используя слабые ядерные силы. Тёмная материя, напротив, оказывает гравитационное взаимодействие с видимой материей, но не поглощает, не отражает и не излучает свет.
Для детекции нейтрино и тёмной материи применяются детекторы на основе высокочистого германия (HPGe), охлаждённые до температуры 77 Кельвинов с целью минимизации шумов, вызванных тепловыми колебаниями атомов. Эти детекторы оснащены тяжёлыми металлическими ядрами, что повышает вероятность столкновения. Чтобы обнаружить эти незначительные взаимодействия, детекторы сперва должны измерить и понять ядерную отдачу от нейтронного пучка.
В рамках исследования была изучена реакция ядер германия на ядерные отдачи в размере 254 электрон-вольт (эВ), что составляет примерно одну четверть кэВ. Два предыдущих эксперимента по измерению ядерной отдачи при той же энергии показали противоречивые результаты по ионизации. Для устранения разногласий, учёные сохранили исходные данные как от детектора HPGe, так и от внешнего сцинтилляционного детектора на базе иодида натрия (NaI), используя продвинутые цифровые системы записи.
«Излучение — это инструмент, с помощью которого мы изучаем нашу вселенную, будь то в Большом адронном коллайдере, эксперименты с тёмной материей или ядерной физикой. Понимание принципов взаимодействия этого излучения с материей играет ключевую роль в интерпретации измерительных данных», — отметил Игорь Йованович, профессор ядерного инжиниринга и радиологических наук Мичиганского университета и соавтор исследования.
Использование исходных данных позволило существенно улучшить анализ, устранив потенциальные искажения сигналов. Это дало возможность проанализировать одинаковые данные при помощи различных алгоритмов для поиска наилучшего решения. Результаты свидетельствуют, что ионизационная эффективность выше, чем ожидалось на 50%, что заметно повысило чувствительность детекторов на основе высокочистого германия к выявлению тёмной материи и нейтрино.
«Наши выводы способны существенно увеличить чувствительность современных детекторных технологий для обнаружения нейтрино и повлиять на исход множества текущих нейтринных экспериментов», — подчеркнул Александр Кавнер, главный автор исследования.
Эксперимент проводился в Лаборатории ядерного реактора Университета штата Огайо.
Источник: iXBT
