โครงการ วิจัย สสารมืดXENON ซึ่งดำเนินการที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Gran Sasso ของอิตาลีเป็นสิ่งอำนวยความสะดวกด้านการตรวจจับใต้ดินลึกที่มีการทดลองที่ทะเยอทะยานมากขึ้นเรื่อยๆ โดยมีเป้าหมายเพื่อตรวจจับ อนุภาค สสารมืด สมมุติ การทดลองเหล่านี้มุ่งเป้าไปที่การตรวจจับอนุภาคในรูปแบบของอนุภาคขนาดใหญ่ที่มีปฏิสัมพันธ์อย่างอ่อน (WIMPs) โดยการมองหาปฏิสัมพันธ์การกระดอนของนิวเคลียร์ที่หายากใน ห้องเป้าหมาย ซีนอน เหลว เครื่องตรวจจับในปัจจุบันประกอบด้วยห้องฉายภาพเวลา แบบสองเฟส (TPC)

การทดลองนี้ตรวจจับ สัญญาณ การเรืองแสงและการแตกตัวเป็นไอออนที่เกิดขึ้นเมื่ออนุภาคภายนอกมีปฏิสัมพันธ์ในปริมาตรของซีนอนเหลว เพื่อค้นหาเหตุการณ์การกระดอนของนิวเคลียสที่มากเกินกว่าระดับพื้นหลังที่ทราบ การตรวจพบสัญญาณดังกล่าวจะเป็นหลักฐานเชิงทดลองโดยตรงครั้งแรกสำหรับอนุภาคที่เป็นตัวเลือกของสสารมืด ปัจจุบันการทำงานร่วมกันนี้นำโดยศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์ชาวอิตาลีElena Aprileจากมหาวิทยาลัยโคลัมเบีย

การทดลอง XENON ใช้ห้องฉายภาพเวลา แบบสองเฟส (TPC) ซึ่งใช้เป้าหมายเป็นซีนอนเหลวที่มีเฟสก๊าซอยู่ด้านบน ชุด หลอด โฟโตมัลติพลายเออร์ (PMT) สองชุด ชุดหนึ่งอยู่ด้านบนของตัวตรวจจับในเฟสก๊าซ (GXe) และอีกชุดหนึ่งอยู่ด้านล่างของชั้นของเหลว (LXe) ตรวจจับ แสง วับวับและ แสงอิเล็กโทรลู มิเนสเซนซ์ที่เกิดขึ้นเมื่ออนุภาคประจุไฟฟ้ามีปฏิสัมพันธ์กันในตัวตรวจจับ สนามไฟฟ้าถูกใช้กับทั้งเฟสของเหลวและเฟสก๊าซของตัวตรวจจับ สนามไฟฟ้าในเฟสก๊าซต้องมีขนาดใหญ่พอที่จะดึงอิเล็กตรอนออกจากเฟสของเหลวได้

ปฏิสัมพันธ์ของอนุภาคในเป้าหมายที่เป็นของเหลวก่อให้เกิดการเรืองแสงและการแตกตัวเป็นไอออนแสงเรืองแสงที่เกิดขึ้นทันทีจะสร้างโฟตอนอัลตราไวโอเลต 178 นาโนเมตร สัญญาณนี้ถูกตรวจจับโดย PMT และเรียกว่าสัญญาณ S1 สนามไฟฟ้าที่ใช้ป้องกันการรวมตัวใหม่ของอิเล็กตรอนทั้งหมดที่เกิดจากปฏิสัมพันธ์ของอนุภาคที่มีประจุใน TPC อิเล็กตรอนเหล่านี้จะถูกผลักไปยังด้านบนของเฟสของเหลวโดยสนามไฟฟ้า จากนั้นการแตกตัวเป็นไอออนจะถูกดึงเข้าไปในเฟสของก๊าซโดยสนามไฟฟ้าที่แรงกว่าในเฟสของก๊าซ สนามไฟฟ้าจะเร่งอิเล็กตรอนจนถึงจุดที่สร้างสัญญาณเรืองแสงที่เป็นสัดส่วนซึ่งถูกรวบรวมโดย PMT เช่นกัน และเรียกว่าสัญญาณ S2 เทคนิคนี้ได้รับการพิสูจน์แล้วว่ามีความไวเพียงพอที่จะตรวจจับสัญญาณ S2 ที่สร้างขึ้นจากอิเล็กตรอนตัวเดียว^{[ 1 ]}

เครื่องตรวจจับช่วยให้สามารถกำหนดตำแหน่ง 3 มิติได้อย่างสมบูรณ์^{[ 2 ]}ของการปฏิสัมพันธ์ของอนุภาค อิเล็กตรอนในซีนอนเหลวมีความเร็วในการเคลื่อนที่สม่ำเสมอ ซึ่งช่วยให้สามารถกำหนดความลึกของการปฏิสัมพันธ์ของเหตุการณ์ได้โดยการวัดความล่าช้าของเวลาระหว่างสัญญาณ S1 และ S2 ตำแหน่งของเหตุการณ์ในระนาบ xy สามารถกำหนดได้โดยการดูจำนวนโฟตอนที่มองเห็นโดย PMT แต่ละตัว ตำแหน่ง 3 มิติอย่างสมบูรณ์ช่วยให้สามารถกำหนดขอบเขตของเครื่องตรวจจับได้ โดยที่บริเวณที่มีพื้นหลังต่ำจะถูกกำหนดไว้ในปริมาตรภายในของ TPC ปริมาตรที่กำหนดนี้มีอัตราเหตุการณ์พื้นหลังลดลงอย่างมากเมื่อเทียบกับบริเวณของเครื่องตรวจจับที่ขอบของ TPC เนื่องจากคุณสมบัติการป้องกันตัวเองของซีนอนเหลว ซึ่งช่วยให้มีความไวสูงขึ้นมากเมื่อค้นหาเหตุการณ์ที่หายากมาก

อนุภาคประจุที่เคลื่อนที่ผ่านตัวตรวจจับคาดว่าจะทำปฏิกิริยากับอิเล็กตรอนของอะตอมซีนอน ทำให้เกิดการกระดอนอิเล็กตรอน หรือทำปฏิกิริยากับนิวเคลียส ทำให้เกิดการกระดอนนิวเคลียร์ สำหรับปริมาณพลังงานที่กำหนดที่สะสมจากปฏิกิริยาของอนุภาคในตัวตรวจจับ อัตราส่วน S2/S1 สามารถใช้เป็นพารามิเตอร์การจำแนกเพื่อแยกแยะเหตุการณ์การกระดอนอิเล็กตรอนและการกระดอนนิวเคลียร์ได้^{[ 3 ]}คาดว่าอัตราส่วนนี้จะมากกว่าสำหรับการกระดอนอิเล็กตรอนมากกว่าการกระดอนนิวเคลียร์ ด้วยวิธีนี้ พื้นหลังจากการกระดอนอิเล็กตรอนสามารถถูกระงับได้มากกว่า 99% ในขณะเดียวกันก็ยังคงรักษาเหตุการณ์การกระดอนนิวเคลียร์ไว้ได้ 50%

การทดลอง XENON10 ได้รับการติดตั้งที่ห้องปฏิบัติการใต้ดิน Gran Sassoในประเทศอิตาลีในเดือนมีนาคม พ.ศ. 2549 สถานที่ตั้งใต้ดินของห้องปฏิบัติการให้การป้องกันเทียบเท่ากับน้ำ 3100 เมตร เครื่องตรวจจับถูกวางไว้ภายในเกราะป้องกันเพื่อลดอัตราพื้นหลังใน TPC ให้ดียิ่งขึ้น XENON10 มีจุดประสงค์เพื่อเป็นเครื่องตรวจจับต้นแบบ เพื่อพิสูจน์ประสิทธิภาพของการออกแบบ XENON รวมถึงตรวจสอบเกณฑ์ที่ทำได้ กำลังการปฏิเสธพื้นหลัง และความไว เครื่องตรวจจับ XENON10 บรรจุซีนอนเหลว 15 กิโลกรัม ปริมาตรที่ไวต่อการตรวจจับของ TPC มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 20 ซม. และความสูง 15 ซม. ^{[ 4 ]}

จากการวิเคราะห์ข้อมูลสด 59 วันที่เก็บรวบรวมระหว่างเดือนตุลาคม 2549 ถึงเดือนกุมภาพันธ์ 2550 ไม่พบสัญญาณ WIMP จำนวนเหตุการณ์ที่สังเกตได้ในบริเวณค้นหา WIMP นั้นสอดคล้องกับจำนวนเหตุการณ์ที่คาดการณ์จากพื้นหลังการกระดอนของอิเล็กตรอน ผลลัพธ์นี้ได้ตัดพารามิเตอร์บางส่วนในแบบจำลองซูเปอร์สมมาตรขั้นต่ำ ออกไป โดยกำหนดข้อจำกัดของภาคตัดขวาง WIMP-นิวคลีออนที่ไม่ขึ้นกับสปินลงไปต่ำกว่า10 × 10 ⁻⁴³  cm ²สำหรับ aมวล WIMP 30 GeV/ c ^{2 [ 5 ]}

เนื่องจากซีนอนธรรมชาติเกือบครึ่งหนึ่งมีสถานะสปินคี่ ( ¹²⁹ Xe มีความอุดมสมบูรณ์ 26% และสปิน 1/2; ¹³¹ Xe มีความอุดมสมบูรณ์ 21% และสปิน 3/2) เครื่องตรวจจับ XENON จึงสามารถใช้เพื่อกำหนดขีดจำกัดของภาคตัดขวาง WIMP-นิวคลีออนที่ขึ้นอยู่กับสปินสำหรับการจับคู่ของอนุภาคผู้สมัครสสารมืดกับทั้งนิวตรอนและโปรตอน XENON10 ได้กำหนดข้อจำกัดที่เข้มงวดที่สุดในโลกเกี่ยวกับการจับคู่ของนิวตรอนบริสุทธิ์^{[ 6 ]}

เครื่องตรวจจับเฟสที่สอง XENON100 ประกอบด้วยซีนอนเหลว 165 กิโลกรัม โดย 62 กิโลกรัมอยู่ในบริเวณเป้าหมาย และซีนอนที่เหลืออยู่ในส่วนป้องกันการทำงาน TPC ของเครื่องตรวจจับมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 30 เซนติเมตร และความสูง 30 เซนติเมตร เนื่องจากคาดว่าปฏิกิริยาของ WIMP จะเป็นเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นได้ยากมาก จึงได้มีการดำเนินการตรวจสอบกัมมันตภาพรังสีอย่างละเอียดถี่ถ้วนในระหว่างขั้นตอนการก่อสร้างและการทดสอบระบบของ XENON100 ในทุกส่วนของเครื่องตรวจจับ การตรวจสอบดำเนินการโดยใช้เครื่องตรวจจับเจอร์มาเนียมที่มีความบริสุทธิ์สูงในบางกรณี มีการทำ สเปกโทรเมตรี มวล กับตัวอย่างพลาสติกมวลต่ำ ด้วยวิธีนี้จึงบรรลุเป้าหมายการออกแบบที่ <10 ⁻²เหตุการณ์/กก./วัน/keV ^{[ 7 ]}ทำให้ได้เครื่องตรวจจับสสารมืดที่มีอัตราพื้นหลังต่ำที่สุดในโลก

เครื่องตรวจจับนี้ได้รับการติดตั้งที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติแกรนซัสโซในปี 2551 ในห้องป้องกันเดียวกับเครื่องตรวจจับ XENON10 และได้ทำการทดลองทางวิทยาศาสตร์หลายครั้ง ในแต่ละครั้งของการทดลอง ไม่พบสัญญาณของสสารมืดที่สูงกว่าระดับพื้นหลังที่คาดไว้ ส่งผลให้ได้ข้อจำกัดที่เข้มงวดที่สุดเกี่ยวกับภาคตัดขวางของ WIMP-นิวคลีออนที่ไม่ขึ้นกับการหมุนในปี 2555 โดยมีค่าต่ำสุดที่2.0 × 10 ⁻⁴⁵  cm ²สำหรับ aมวล WIMP 65 GeV/ c² ^{[ 8 ]}ผลลัพธ์เหล่านี้จำกัดการตีความสัญญาณในการทดลองอื่น ๆ ว่าเป็นปฏิสัมพันธ์ของสสารมืด และตัดแบบจำลองที่แปลกใหม่ เช่น สสารมืดแบบไม่ยืดหยุ่น ออกไป ซึ่งจะช่วยแก้ไขความไม่สอดคล้องกันนี้ได้^{[ 9 ] XENON100}ยังได้ให้ขีดจำกัดที่ดีขึ้นสำหรับภาคตัดขวาง WIMP-นิวคลีออนที่ขึ้นอยู่กับสปิน^{[ 10 ]} ผลลัพธ์ของ แอกซิออนได้รับการตีพิมพ์ในปี 2014 ^{[ 11 ]}ซึ่งกำหนดขีดจำกัดแอกซิออนที่ดีที่สุดใหม่

XENON100 ดำเนินการทดลองพื้นหลังที่ต่ำที่สุดในขณะนั้นสำหรับการค้นหาสสารมืด โดยมีพื้นหลัง 50 mDRU (1 mDRU = 10 ⁻³เหตุการณ์/กก./วัน/keV) ^{[ 12 ]}

การก่อสร้างเฟสต่อไป XENON1T เริ่มขึ้นในฮอลล์ B ของห้องปฏิบัติการแห่งชาติแกรนซัสโซในปี 2014 เครื่องตรวจจับประกอบด้วยซีนอนเหลวบริสุทธิ์พิเศษหนัก 3.2 ตัน และมีปริมาตรอ้างอิงประมาณ 2 ตัน เครื่องตรวจจับถูกบรรจุอยู่ในถังน้ำขนาด 10 ลูกบาศก์เมตร ซึ่งทำหน้าที่เป็นตัวยับยั้งมิวออน เครื่องตรวจจับ TPC มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 1 เมตร และสูง 1 เมตร

ทีมโครงการตรวจจับที่เรียกว่า XENON Collaboration ประกอบด้วยนักวิจัย 135 คนจาก 22 สถาบันในยุโรป ตะวันออกกลาง และสหรัฐอเมริกา^{[ 13 ]}

ผลลัพธ์แรกจาก XENON1T ถูกเผยแพร่โดยกลุ่มความร่วมมือ XENON เมื่อวันที่ 18 พฤษภาคม 2017 โดยอิงจากข้อมูลที่เก็บรวบรวมเป็นเวลา 34 วัน ระหว่างเดือนพฤศจิกายน 2016 ถึงมกราคม 2017 แม้ว่าจะไม่มีการตรวจพบ WIMP หรือสัญญาณผู้สมัครสสารมืดอย่างเป็นทางการ แต่ทีมงานก็ได้ประกาศการลดระดับกัมมันตภาพรังสีพื้นหลังที่ตรวจจับได้โดย XENON1T ลงต่ำสุดเป็นประวัติการณ์ ขีดจำกัดการยกเว้นนั้นเกินกว่าขีดจำกัดที่ดีที่สุดก่อนหน้านี้ที่กำหนดโดยการทดลอง LUXโดยมีการยกเว้นภาคตัดขวางที่ใหญ่กว่า7.7 × 10 ⁻⁴⁷  cm ²สำหรับมวล WIMP ของ35 GeV/ c ^{2 [ 14} ] ^{[ 15 ] เนื่องจากสัญญาณบางอย่างที่เครื่องตรวจจับ ได้}รับอาจเกิดจากนิวตรอน การลดกัมมันตภาพรังสีจะเพิ่มความไวต่อWIMP ^{[ 16 ]}

ในเดือนกันยายน พ.ศ. 2561 การทดลอง XENON1T ได้เผยแพร่ผลลัพธ์จากข้อมูลที่รวบรวมได้เป็นเวลา 278.8 วัน มีการกำหนดขีดจำกัดสูงสุดใหม่สำหรับการปฏิสัมพันธ์แบบยืดหยุ่นที่ไม่ขึ้นกับสปินของ WIMP-นิวคลีออน โดยมีค่าต่ำสุดอยู่ที่4.1 × 10 ⁻⁴⁷  cm ²ที่มวล WIMP เท่ากับ30 GeV/ c ² . ^{[ 17 ]}

ในเดือนเมษายน พ.ศ. 2562 จากการวัดที่ดำเนินการด้วยเครื่องตรวจจับ XENON1T คณะทำงาน XENON ได้รายงานในNatureเกี่ยวกับการสังเกตโดยตรงครั้งแรกของการจับอิเล็กตรอนคู่ สองนิวตริโน ในนิวเคลียสซีนอน-124 ^{[ 18 ]}ครึ่งชีวิตที่วัดได้ของกระบวนการนี้ ซึ่งมีขนาดใหญ่กว่าอายุของจักรวาลหลายอันดับ แสดงให้เห็นถึงความสามารถของเครื่องตรวจจับที่ใช้ซีนอนในการค้นหาเหตุการณ์ที่หายาก และแสดงให้เห็นถึงขอบเขตทางฟิสิกส์ที่กว้างขวางของการทดลองรุ่นต่อไปที่มีขนาดใหญ่กว่า การวัดนี้เป็นขั้นตอนแรกในการค้นหา กระบวนการ จับอิเล็กตรอนคู่แบบไร้นิวตริโนซึ่งการตรวจพบจะให้ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับธรรมชาติของนิวตริโนและช่วยให้สามารถกำหนดมวลสัมบูรณ์ของมันได้

ณ ปี 2019 การทดลอง XENON1T ได้หยุดการเก็บข้อมูลเพื่อให้สามารถก่อสร้างเฟสต่อไปคือ XENONnT ได้^{[ 19 ]}เครื่องตรวจจับ XENON1T ดำเนินการระหว่างปี 2016–2018 โดยการทำงานของเครื่องตรวจจับสิ้นสุดลงเมื่อสิ้นปี 2018 ^{[ 20 ]}

ในเดือนมิถุนายน พ.ศ. 2563 ความร่วมมือ XENON1T รายงานว่ามีอิเล็กตรอนกระเด็นออกมามากเกินไป: 285 เหตุการณ์ มากกว่าที่คาดไว้ 232 ถึง 53 เหตุการณ์^{[ 21 ] [ 22 ]}โดยมีนัยสำคัญทางสถิติที่ 3.5σ ^{[ 23 ]} มีการพิจารณาคำอธิบายสามประการ ได้แก่ การมีอยู่ของแอกซิ ออนจากดวงอาทิตย์ซึ่งเป็นเพียงสมมติฐานในปัจจุบันโมเมนต์แม่เหล็กขนาดใหญ่ที่น่าประหลาดใจสำหรับนิวตริโน และการปนเปื้อนของทริเทียมในเครื่องตรวจจับ ต่อมากลุ่มอื่นๆ ได้ให้คำอธิบายอื่นๆ อีกหลายประการ^{[ 24 ]}และในปี พ.ศ. 2564 การตีความผลลัพธ์ไม่ใช่ในฐานะอนุภาคสสารมืด แต่เป็นอนุภาคพลังงานมืด ที่เรียกว่า คาเมเลียนก็ได้รับการพิจารณาเช่นกัน^{[ 25 ] [ 26 ]}ในเดือนกรกฎาคม พ.ศ. 2565 การวิเคราะห์ใหม่โดย XENONnT ได้ตัดความเป็นไปได้ของส่วนเกินนี้ออกไป^{[ 27 ] [ 28 ]}

XENONnT เป็นการอัพเกรดของการทดลอง XENON1T ใต้ดินที่ LNGS ระบบของมันจะประกอบด้วยมวลซีนอนรวมมากกว่า 8 ตัน นอกเหนือจากเป้าหมายซีนอนที่ใหญ่ขึ้นในห้องฉายภาพเวลาแล้ว การทดลองที่ได้รับการอัพเกรดนี้จะมีส่วนประกอบใหม่เพื่อลดหรือระบุรังสีที่อาจเป็นพื้นหลังในการวัดเพิ่มเติม ได้รับการออกแบบให้มีความไว (ในช่วงมวลที่ตรวจสอบเพียงเล็กน้อย) ที่นิวตริโนกลายเป็นพื้นหลังที่สำคัญ ณ ปี 2019 การอัพเกรดยังคงดำเนินอยู่ และคาดว่าจะเริ่มใช้งานครั้งแรกในปี 2020 ^{[ 19 ] [ 29 ]}

เครื่องตรวจจับ XENONnT อยู่ระหว่างการก่อสร้างในเดือนมีนาคม พ.ศ. 2563 แม้จะมีปัญหาที่เกิดจาก COVID-19 โครงการก็สามารถสร้างเสร็จและก้าวไปสู่ขั้นตอนการทดสอบระบบได้ภายในกลางปี ​​พ.ศ. 2563 การดำเนินงานของเครื่องตรวจจับอย่างเต็มรูปแบบเริ่มขึ้นในปลายปี พ.ศ. 2563 ^{[ 20 ] [ 30 ]}ในเดือนกันยายน พ.ศ. 2564 XENONnT ได้รวบรวมข้อมูลทางวิทยาศาสตร์สำหรับการทดลองทางวิทยาศาสตร์ครั้งแรก ซึ่งกำลังดำเนินการอยู่ ณ ขณะนั้น^{[ 31 ]}

เมื่อวันที่ 28 กรกฎาคม 2023 XENONnT ได้เผยแพร่ผลลัพธ์แรกของการค้นหา WIMP ^{[ 32 ]}โดยไม่รวมภาคตัดขวางที่สูงกว่า28 GeV ด้วยระดับความเชื่อมั่น 90% ^{[ 33 ]}ในวันเดียวกันนั้นการทดลอง LZก็ได้เผยแพร่ผลลัพธ์แรกเช่นกัน โดยไม่รวมภาคตัดขวางที่สูงกว่า36 GeV ด้วยระดับความเชื่อมั่น 90% ^{[ 34 ]}${\displaystyle 2.58\times 10^{-47}cm^{2}}$${\displaystyle 9.2\times 10^{-48}cm^{2}}$

• Angle, J; และคณะ (2008). "ผลลัพธ์แรกจากการทดลองสสารมืด XENON10 ที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Gran Sasso" Physical Review Letters . 100 (2) 021303. arXiv : 0706.0039 . Bibcode : 2008PhRvL.100b1303A . doi : 10.1103/PhysRevLett.100.021303 . PMID  18232850 . S2CID  2249288 .

• การทดลองซีนอน
• หน้าหลัก XENON ที่มหาวิทยาลัยชิคาโก
• หน้าหลัก XENON ที่มหาวิทยาลัยโคลัมเบีย
• หน้าหลัก XENON ที่มหาวิทยาลัยซูริค
• หน้าหลักของ XENON ที่มหาวิทยาลัยไรซ์ถูกเก็บถาวรเมื่อวันที่ 2 ธันวาคม 2021 ที่Wayback Machine
• หน้าหลักของ XENON ที่มหาวิทยาลัยบราวน์ถูกเก็บถาวรเมื่อวันที่ 27 ธันวาคม 2009 ที่Wayback Machine
• คัตสึฮิ อาริซากะ, XENONจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ลอสแองเจลิส
• เครื่องมือคำนวณขีดจำกัดของสสารมืดเก็บถาวรเมื่อวันที่ 9 พฤศจิกายน 2006 ที่Wayback Machineพร้อมผลลัพธ์ล่าสุดจาก XENON และการทดลองอื่นๆ
• ส่องสว่างความมืดมิด, CERN Courier, 27 กันยายน 2013 เก็บถาวรเมื่อ 4 มกราคม 2014 ที่Wayback Machine

42°25′14″เหนือ13°30′59″ตะวันออก / 42.42056°N 13.51639°E / 42.42056; 13.51639