XENON es un proyecto de investigación para el estudio de la materia oscura , que se lleva a cabo en el laboratorio Gran Sasso en Italia . El laboratorio de investigación se encuentra en las profundidades del subsuelo, donde los científicos realizan experimentos en un intento de identificar y estudiar partículas de materia oscura. Los investigadores creen que estas partículas masivas de interacción débil ( WIMP ) pueden detectarse capturando perturbaciones y desintegraciones nucleares líquidas en una cámara cerrada llena de xenón . El detector de corriente consta de una cámara de proyección temporal (TPC) de dos fases.
El experimento detecta centelleos e ionizaciones que surgen como resultado de la interacción de partículas con xenón líquido, lo que permite revelar el paso de reacciones de desintegración nuclear. Arreglar tal fenómeno creará la primera confirmación experimental directa de la existencia de partículas que son candidatas a materia oscura. A la cabeza de un grupo de científicos investigadores se encuentra una física italiana, profesora de la Universidad de Columbia, Elena Aprile .
El experimento XENON utiliza una cámara de proyección de tiempo de dos fases (Cámara de proyección de tiempo Cámara de proyección de tiempo - TPC), que se llena con xenón líquido en la parte inferior y xenón gaseoso en la parte superior . Dos conjuntos de tubos fotomultiplicadores (PMT), uno encima del detector donde la materia está en estado gaseoso (GXe) y el otro debajo de la capa de xenón líquido (LXe), detectan centelleos y electroluminiscencia de luz cuando las partículas cargadas interactúan con la materia . en el detector El área con la sustancia activa del detector (gas líquido y gaseoso) es penetrada por campos eléctricos. El campo eléctrico en la región gaseosa debe ser mucho más fuerte para poder extraer electrones de la región con materia líquida.
Las interacciones de partículas en la materia líquida dan lugar a centelleos e ionizaciones . Un destello rápido de brillo de centelleo genera radiación de fotones ultravioleta con una longitud de onda de 178 nm . Esta señal se captura en tubos fotomultiplicadores (PMT) y se denomina señal S1. Esta técnica es lo suficientemente sensible para detectar fotoelectrones individuales. [1] El campo eléctrico que atraviesa la instalación asegura la recombinación de todos los electrones que se formaron tras la interacción con las partículas cargadas en el TPC. Estos electrones son desplazados hacia arriba por la región con xenón líquido bajo la acción de un campo eléctrico. Luego, las partículas de ionización son desplazadas a la región del estado gaseoso por un campo eléctrico mucho más fuerte. Este campo acelera los electrones hasta que forman una señal de centelleo proporcional, que se fija en FUT y se denota como S2 .
El detector permite obtener una imagen tridimensional completa del proceso de interacción de las partículas. [2] . Los electrones en la región del xenón líquido tienen una velocidad de desplazamiento uniforme hacia la región superior. Esto le permite determinar la profundidad del evento, donde ocurrió la interacción, debido a los retrasos entre las señales S1 y S2. La ubicación exacta del evento en la escala de coordenadas xy se obtiene calculando el número de fotones que fueron capturados por cada uno de los FUT. En la imagen tridimensional completa, la marca de coordenadas (área de fiducción) en el detector es el área cerca de la pared inferior de la cámara de proyección temporal en el área de materia líquida. En esta región de fiducción, el número de eventos extraños se reduce significativamente en comparación con la región donde se detectan activamente a través de las propiedades del xenón líquido. Esto permite obtener una sensibilidad mucho mayor al registrar eventos muy raros.
Se espera que las partículas cargadas que vuelan a través del cuerpo del detector interactúen tanto con los electrones de los átomos de xenón como con los núcleos de los propios átomos de xenón. Para una cantidad específica de energía aportada por las colisiones de partículas en el detector, utilizando la relación S2/S1, se pueden identificar y describir específicamente los eventos de colisiones nucleares y electrónicas. [3] Se espera que esta proporción sea mayor para las colisiones electrónicas que para las nucleares.
La teoría es que una partícula de materia oscura que golpea los átomos en el tanque liberará fotones y electrones que pueden ser capturados como destellos de luz. Tales señales se registraron por primera vez el 16 de junio de 2020 y pueden convertirse en la confirmación de la existencia de materia oscura. [cuatro]
El experimento XENON10 se llevó a cabo en el Laboratorio Subterráneo Gran Sasso durante marzo de 2006. La ubicación subterránea del laboratorio proporcionó un blindaje equivalente a una capa de agua de 3100 metros de espesor. Además, el detector en sí estaba protegido adicionalmente para reducir aún más el ruido de fondo en el complejo militar-industrial. En general, XENON10 se consideró como un prototipo del detector, su objetivo principal era probar la eficacia del propio concepto XENON, así como comprobar la posibilidad de alcanzar ciertos valores límite, sensibilidad y potencia de fondo. El detector XENON10 contenía 15 kilogramos de xenón líquido. Las dimensiones del volumen sensible de la VPC eran 20 cm de diámetro y 15 cm de altura [5] .
La segunda fase del detector, denominada XENON100, ya contenía 165 kg de xenón líquido, de los cuales 62 kg estaban en el área objetivo y el resto en el sensor de "veto activo". El VPK tenía 30 cm de diámetro y 30 cm de alto.
La construcción de la tercera fase denominada XENON1T comenzó en el Hall B (Hall B) de Gran Sasso en 2014. El proyecto del detector prevé 3,5 toneladas de xenón líquido ultra-radio-purificado, de las cuales más de 1 tonelada caerá sobre el área objetivo. El detector se coloca en un caparazón lleno de agua de 10 metros de altura, que actuará como un "veto de muones". El VPK tendrá 1 m de diámetro y la misma altura.
Sobre el detector, se planea estudiar y probar algunos modelos teóricos candidatos a la supersimetría, como el CMSSM [6] .