Группа XENON заново научила детектор XENON1T регистрировать частицы темной материи по одним только вторичным фотонам, тем самым расширив область доступных для проверки масс до нескольких сотен килоэлектронвольт. В результате ученым удалось на несколько порядков ужесточить ограничения на сечение рассеяния нуклонов на легких частицах темной материи, возникающих в шести разных теориях. Поймать гипотетические частицы ученым так и не удалось. Препринт работы авторы выложили на arXiv.org.
Космологические и астрофизические наблюдения показывают, что Вселенная почти на четверть состоит из темной материи — гипотетической субстанции, которая гравитационно взаимодействует с обычной материей, но практически не чувствует электромагнитные, слабые и сильные силы. Долгое время считалось, что темная материя состоит из массивных частиц — вимпов, которые весят в несколько раз больше протона и участвуют только в слабом взаимодействии. Такие частицы естественным образом возникают в суперсимметричных расширениях Стандартной модели и в теориях с дополнительными пространственными измерениями, поэтому они казались наиболее перспективными кандидатами. К сожалению, до сих пор ни один наземный эксперимент не поймал ни одного вимпа, хотя физики ищут «темные» частицы уже более двадцати лет, постепенно наращивая массу детекторов и продолжительность поисков.
В прошлом году самый чувствительный детектор темной материи — детектор XENON1T, просматривавший 1,3 тонны жидкого ксенона в течение девяти месяцев, — ограничил сечение рассеяния вимпов на нуклонах величиной порядка 10−47 квадратных сантиметров. Грубо говоря, сечение определяет вероятность, с которой сталкиваются две частицы: чем больше сечение, тем легче пролетающему вимпу «зацепиться» за нуклон. Ограничение, установленное группой XENON, верно для частиц массой более шести масс протона и вплотную приблизилось к так называемому «нейтринному полу» — значениям, при которых детектирование частиц темной материи в принципе невозможно из-за космических нейтрино, «замыливающих» сигнал. Поэтому физики постепенно переключаются на альтернативные теории с более легкими частицами темной материи (либо предлагают вообще отказаться от частиц).
Группа XENON также не отстает от этой тенденции: оказывается, что благодаря конструктивным особенностям детектора он может регистрировать не только тяжелые, но и легкие частицы. Дело в том, что XENON1T отслеживает частицы темной материи с помощью двух механизмов. С одной стороны, «темная» частица может столкнуться с ядром ксенона и передать ему часть энергии. Небольшое время спустя возбужденное ядро снова вернется в основное состояние и испустит фотон, который попадет в фотодетектор и расскажет про столкновение с вимпом. Чтобы такой процесс породил фотоны с достаточно большой энергией, превышающей порог детектирования, масса «темной» частицы должна быть не меньше шести гигаэлектронвольт.
С другой стороны, после взаимодействия с частицей темной материи может родиться не фотон, а электрон, который будет сталкиваться с атомами ксенона и рождать вторичные фотоны. Эти фотоны также попадут в фотодетектор и расскажут про частицу, запустившую цепочку. Теоретически такие вспышки позволяют отслеживать «темные» частицы с массой более 186 электронвольт. Тем не менее, на практике оба метода детектирования обычно применяются совместно, чтобы более надежно отсеивать фоновый сигнал от космических частиц. Поэтому ученым приходилось ограничиваться массами, при которых оба метода работали одинаково хорошо.
Теперь же физики придумали способ, с помощью которого можно оставить только сигнал электронов, и просканировали область легких «темных» частиц. Чтобы избавить детектор от фонового шума, ученые натренировали его с помощью совместно регистрируемых событий, а потом отбраковали события, в которых рождаются только фотоны. Кроме того, физики рассмотрели ситуацию, в которой гипотетические частицы рассеиваются не на ядрах, а на электронах атомов ксенона. В результате ученым удалось ужесточить ограничения на «темные» частицы, описываемые шестью теоретическими моделями. А именно, ученые исключили новые области масс и сечений обычных вимпов (буква A на картинке), вимпов с легкими переносчиками (буква B), вимпов, взаимодействие которых определяется направлением спина ©, «облегченных» вимпов с массой порядка ста килоэлектронвольт (D), аксионоподобных частиц (E) и темных фотонов (F). В некоторых случаях полученное ограничение превышало существующий результат в тысячу раз.
Учитывая, что ни один наземный эксперимент по поиску темной материи до сих пор не нашел ни одной частицы, косвенные гравитационные наблюдения за гипотетическими частицами играют особенно важную роль. Иногда физики находят довольно оригинальные эффекты, которые могут «почувствовать» темную материю и наложить ограничения на ее параметры. Например, в этом месяце группа исследователей под руководством Гленна Старкмана (Glenn Starkman) предложила использовать в качестве детектора людей: учитывая, что ни один человек до сих пор не умер от столкновения с частицами темной материи, ученые вывели ограничение на массу «темных» частиц и сечение их рассеяния на частицах обычной материи. Кроме того, за последние несколько лет физики использовали в качестве «детектора» частиц разогревающиеся нейтронные звезды, тусклые карликовые галактики, гравитационное излучение черных дыр, протопланетные диски и фотографию черной дыры.
Дмитрий Трунин
