Элементы Элементы большой науки

Поставить закладку

Напишите нам

Карта сайта

Содержание
Энциклопедия
Новости науки
LHC
Картинка дня
Библиотека
Видеотека
Книжный клуб
Задачи
Масштабы: времена
Детские вопросы
Плакаты
Научный календарь
Наука и право
ЖОБ
Наука в Рунете

Поиск

Подпишитесь на «Элементы»



ВКонтакте
в Твиттере
в Фейсбуке
на Youtube
в Instagram



«Квантик»


 
журнал для любознательных





Главная / Задачи версия для печати

Детектор частиц темной материи

Игорь Иванов
15.08.11

Имеется большое количество астрофизических данных, указывающих на то, что во Вселенной — помимо звезд, планет, газопылевых облаков, черных дыр и т. д. — имеется много так называемой темной материи. Это вещество не видно ни в каком диапазоне электромагнитных волн, оно рассредоточено в пространстве и гравитационно воздействует на движение звезд лишь в галактических масштабах. Предполагается, что эта материя состоит из частиц нового сорта, причем взаимодействуют эти частицы с обычным веществом исключительно слабо. Сразу скажем, что ни масса частиц темной материи, ни их вероятность столкновения с ядрами вещества заранее не известны. Считается известной, впрочем, плотность темной материи в галактической окрестности солнечной системы (около 10–21 кг/м3), а также то, что частицы темной материи имеют примерно тепловое распределение с типичными скоростями 100–200 км/с.

Рис. 1. Частицы темной материи, пронзая насквозь детектор, изредка сталкиваются с ядрами рабочего вещества и передают им часть своей энергии. Эта энергия за счет каскада вторичных процессов выделяется в детекторе и может быть зарегистрирована датчиками. Рис. автора задачи
Рис. 1. Частицы темной материи, пронзая насквозь детектор, изредка сталкиваются с ядрами рабочего вещества и передают им часть своей энергии. Эта энергия за счет каскада вторичных процессов выделяется в детекторе и может быть зарегистрирована датчиками. Рис. автора задачи

Солнечная система, двигаясь по своей галактической траектории, постоянно чувствует «встречный ветер» из частиц темной материи. Из-за слабости взаимодействия этот ветер насквозь продувает Солнце и планеты, и только изредка частицы темной материи натыкаются на обычное вещество. Если подобные столкновения хоть редко, но всё же происходят, появляется возможность напрямую зарегистрировать частицы темной материи (см. рис. 1). Для этого в подземной шахте можно установить герметично закрытую емкость с рабочим веществом, которая вместе с Землей тоже будет чувствовать дуновение «ветра из темной материи». Когда частица темной материи столкнется с ядром вещества и упруго от него отскочит, она передаст веществу некоторую энергию, и такое энерговыделение смогут зафиксировать датчики, установленные внутри емкости.

В идеальном случае достаточно лишь одного такого события для объявления о регистрации частиц темной материи. В реальности, однако, всегда имеется остаточный фон от космических лучей и от примесей радиоактивных изотопов в самых разных материалах, что будет время от времени вызывать ложные срабатывания датчиков. Поэтому, если частицы темной материи сталкиваются с веществом детектора слишком редко, этот процесс не удастся отделить от фона. Кроме того, у самих датчиков есть некоторый порог чувствительности: они не способны заметить энерговыделение меньше определенного значения. Поэтому достижимый предел чувствительности таких экспериментов представляют в виде графика чувствительности, который показывает, до какой вероятности столкновения сможет спуститься вниз детектор при той или иной массе частиц темной материи

Задача

Выясните, к частицам какой массы будет наиболее чувствителен детектор темной материи с рабочим веществом из жидкого ксенона. Нарисуйте типичный вид графика чувствительности такого детектора (предельная чувствительность в зависимости от массы частиц темной материи).


Подсказка

Решение

Послесловие



 


при поддержке фонда Дмитрия Зимина - Династия