Колаборація фізиків XENON1T завершила обробку перших даних свого нового надчутливого детектора темної матерії. Перший етап збору тривав 34 дні і завершився раніше запланованого терміну через землетрус в Італії в січні 2017. За цей час не вдалося засікти жодної події, пов'язаної з темною матерією, однак, завдяки високій чутливості детектора, зібраних за місяць даних вже виявилося достатньо, щоб поліпшити існуючу верхню оцінку перерізу частинки темної матерії на нуклонах. Препринт статті опубліковано на сайті Arxiv.org.
Концепція темної матерії утвердилася в науці в 70-х роках минулого століття. Вона з'явилася як спроба пояснити аномальний рух галактик в галактичних скупченнях. Спостереження показали, що віддалені від центру скупчення галактики мають набагато більшу швидкість, ніж пророкує загальна теорія відносності та інші теорії. Для того, щоб «підігнати» швидкість галактик під передбачення ОТГ, вчені додали до Всесвіту нову гіпотетичну речовину, яка завдяки своїй масі змінює характер руху галактик. Темною матерією вона була названа через те, що хоча ця речовина і бере участь у гравітаційній взаємодії, побачити її в якомусь доступному для спостереження діапазоні, від гамма-випромінювання до радіохвиль, не виходило. За оцінками вчених, маса темної матерії в спостережуваному Всесвіті приблизно в 5 разів більша, ніж маса «звичайної» речовини. Докладніше про виникнення терміну «темна матерія» можна прочитати тут.
Темна матерія складається з гіпотетичних частинок, званих WIMP (Weakly Interacting Massive Particle), які вкрай слабо взаємодіють зі звичайною речовиною. У 2008 році колаборація DAMA заявила про сезонне детектування WIMP. Вчені спробували пояснити свої результати наступним чином: Оскільки сонячна система рухається навколо центру галактики, а Земля - навколо Сонця, то в різні пори року Земля рухається або швидше, або повільніше своєї середньої швидкості рухається відносно центру Чумацького Шляху. Так, в одному випадку ми рухаємося назустріч «вітру» з WIMP, в іншому - в тому ж напрямку. При цьому повз нас за один і той же проміжок часу пролітає різна кількість WIMP. Однак подальші експерименти не змогли повторити подібних результатів.
У листопаді 2016 року почав свою роботу найбільш точний на момент написання статті детектор темної матерії XENON1T. Він є поліпшеною версією попереднього детектора, XENON100, порівняно з попередником маса його робочої речовини збільшилася в 20 разів. Установка розташована на глибині 1400 метрів під горою Гран Сассо в Італії. Сам детектор представляє з себе циліндр, в якому знаходиться приблизно 3,2 тонни суміші рідкого і газоподібного ксенону при температурі ― 96 ° С і тиску 1,9 бар. При цьому ксенон оточений кількома шарами з води та інших різних матеріалів, які захищають установку від випадкових частинок, що не є WIMP.
Детектування відбувається наступним чином: розсіюючись на атомах ксенона, WIMP повинні генерувати фотони і іонізувати ксенон. Вибиті електрони під впливом зовнішнього електричного поля виходять з рідини в газ, в якому створюють сцинтиліляційний сигнал. Аналіз характеристик сигналу фотонів та електронів дозволяє відрізняти WIMP-події від подій, пов'язаних з розпадом ізотопу ізенону, присутнього в малій кількості в установці та інших паразитних ефектів.
Під час першого запуску подій, пов'язаних з розсіюванням WIMP на нуклонах в установці не зареєстровано, що дозволяє отримати верхню оцінку перерізу розсіювання (нагадаємо, переріз розсіювання характеризує ймовірність взаємодії частинок, більше переріз - більше ймовірність). При цьому вчені отримали результат для перерізу зі ступенем впевненості 90%. Надалі колаборація планує продовжувати збір і аналіз даних, сподіваючись нарешті зловити WIMP.