Учёные из коллаборации XENON используют один из самых чувствительных в мире детекторов тёмной материи
В поисках тёмной материи учёные из коллаборации XENON используют один из самых чувствительных в мире детекторов — XENONnT в лаборатории Gran Sasso Национального института ядерной физики (INFN) в Италии. Этот детектор позволяет обнаруживать крайне редкие взаимодействия частиц, которые могут дать ключ к пониманию природы тёмной материи. Однако проблема заключается в том, что небольшие количества естественной радиоактивности генерируют фоновые события, которые могут маскировать эти слабые сигналы.
Эксперимент XENONnT совершил прорыв
Эксперимент XENONnT совершил прорыв, значительно снизив содержание одного из наиболее проблемных загрязнителей — радона, радиоактивного газа. Впервые исследовательской группе удалось снизить уровень радона в детекторе до уровня, в миллиард раз более низкого, чем очень низкая естественная радиоактивность человеческого тела.
Технология, лежащая в основе эксперимента XENONnT, разработана командой под руководством физика элементарных частиц профессора Кристиана Вайнхаймера из Мюнстерского университета.
Исключительная чувствительность детектора
Исключительная чувствительность детектора обусловлена чрезвычайной чистотой жидкого ксенона, достигнутой благодаря уникальной конструкции детектора и использованию сверхчистых материалов. Однако даже следы растворённого радона и продуктов его радиоактивного распада могут создавать вспышки света, напоминающие искомые сигналы.
Для дальнейшего снижения уровня радона команда XENONnT разработала криогенную систему дистилляции для непрерывной очистки ксенона. Этот процесс специально предназначен для удаления радона и снижения его концентрации в ксеноне в 4 раза — до 430 атомов радона на тонну жидкого ксенона, как определили в группе XENONnT из Института ядерной физики Общества Макса Планка в Гейдельберге.
Благодаря удалению радона измерения можно проводить практически без радиоактивного фона.
«Эта технология прокладывает путь для более крупных и более чувствительных детекторов, таких как планируемый жидкий ксеноновый обсерваторий XLZD, который будет в десять раз больше», — объясняет Вайнхаймер. «XENONnT приближает нас на один шаг к разгадке тайны тёмной материи».
Новая платформа для квантовых сетей
Группа инженеров из Иллинойсского колледжа Грейнджера продемонстрировала полезность массива атомов иттербия-171 в квантовых сетях. Их работа представляет собой ключевой шаг к созданию квантовых сетей на большие расстояния.
Исследователи из Инженерного колледжа Грейнджера при Университете Иллинойса в Урбане-Шампейне представили масштабируемую платформу для квантовых сетей с массивом атомов иттербия-171. Их работа, опубликованная в журнале Nature Physics, представляет собой важный шаг к созданию более крупных квантовых сетей и имеет многообещающие перспективы для модульных квантовых вычислений.
Большинство сетей с атомоподобными кубитами работают на длинах волн видимого или ближнего ультрафиолетового диапазона; для обеспечения дальней связи их необходимо преобразовать в полосу длин волн телекоммуникаций — ту же длину волны, которая используется в современном оптоволоконном интернете. Однако этот процесс преобразования часто приводит к потере сигнала и шуму.
Чтобы обойти эту проблему, исследователи из лаборатории Джейкоба Кови, доцента физики, обратились к иттербию-171: атому, популярному среди квантовых физиков благодаря своей уникальной структуре уровней.
«Мы изначально хотели работать с зелёным фотоном основного состояния ядерного кубита, но обнаружили, что 1389 нм — отличный переход для пробы», — сказал Линтао Ли, постдокторант Инженерно-физического факультета Иллинойсского колледжа Грейнджера и ведущий автор статьи.
«Он не настолько широк, чтобы нам понадобился дорогостоящий лазер с синхронизацией мод и управление синхронизацией, и не настолько узок, чтобы частота фотонов не была достаточно высокой для хорошего соотношения сигнал/шум даже без оптической полости для сбора фотонов».
Впервые в этой области исследователи использовали массив нейтральных атомов иттербия-171 для генерации запутывания атомов и фотонов на длине волны телекоммуникаций.
«Мы продемонстрировали довольно высокую точность запутывания атомов и фотонов», — сказал Саймон Ху, аспирант Инженерно-физического факультета Иллинойсского колледжа Грейнджера и соавтор статьи. «Мы также показали, что этот протокол квантовых сетей можно распараллелить с интеграцией оптоволоконной матрицы. Наша работа открывает двери для множества захватывающих приложений в области квантовых сетей».
Хотя текущая модель инженеров Иллинойсского колледжа Грейнджера показала высокую точность запутывания с большим потенциалом масштабируемости, она ограничена относительно низкой эффективностью сбора фотонов, что в конечном итоге замедляет скорость работы сети. В дальнейшем исследователи будут работать над улучшением методов сбора фотонов на платформе, чтобы улучшить этот и другие результаты. Кроме того, группа стремится к дальнейшей интеграции атомных систем в масштабируемые квантовые сети.
radon, a radioactive gas. For the first time, the research team has succeeded in reducing the detector’s radon-induced radioactivity to a level a billion times lower than the very low natural radioactivity of the human body.»,»The underlying technology, which the XENONnT consortium reports in the current issue of the Physical Review X, was developed by a team led by particle physicist Prof Christian Weinheimer from the University of Münster.»,»The XENONnT experiment measures the interactions of hypothetically predicted dark matter particles with atoms of liquid xenon, a noble gas. The 8.5-ton detector operates at around minus 95 degrees Celsius deep below Earth’s surface in order to eliminate as many background events as possible.»,»The detector’s exceptional sensitivity is due to the extraordinary purity of the liquid xenon achieved thanks to the unique design of the detector and the use of ultra-radiopure materials. However, even traces of dissolved radon and its radioactive decay products can produce flashes of light that resemble the signals being sought. Since radon, a product of long-lived isotopes from the formation of our solar system, is present in virtually all materials, it accounts for a significant portion of the natural radiation exposure in humans.»,»To reduce radon events even further, the XENONnT team developed a cryogenic distillation system for the continuous purification of xenon. This process specifically removes radon and reduces its concentration in xenon by a factor of 4 to just 430 radon atoms per ton of liquid xenon, as determined by the XENONnT group from Max Planck Institute for Nuclear Physics at Heidelberg.»,»The background events caused by radon are thus about as rare as the extremely rare background caused by neutrinos, which originate from nuclear fusion inside the sun and cannot be shielded. Thanks to radon removal, measurements can be carried out with practically no radioactive background.»,»\»The technology paves the way for larger, even more sensitive detectors such as the planned XLZD liquid xenon observatory, which will be ten times larger,\» explains Weinheimer. \»XENONnT brings us one step closer to solving the mystery of dark matter.\»»,»\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tUniversity of Münster\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t»,»\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Other Physics Topics\n\t\t\t\t\t\t «]’>Источник