Детектор DarkSide-50 в 10 разів поліпшив обмеження на властивості частинок легкої темної матерії
Детектор DarkSide-50 вдесятеро поліпшив обмеження на перетин взаємодії частинок звичайної матерії і вімпів з масою від 1,8 до 6 гігаелектронвольт - за два роки роботи детектор так і не зареєстрував події, що відповідають зіткненню частинок. Стаття опублікована в, препринт роботи викладено на сайті arXiv.org.
Незважаючи на те, що протягом останніх 30 років фізики активно шукають вімпи - гіпотетичні частинки темної матерії, які взаємодіють з частинками звичайної матерії за допомогою слабких сил і мають масу не менше десяти мас протона, - їх так і не вдалося побачити в прямому експерименті. Зокрема, результати експериментів Xenon1T і PandaX-II, опубліковані в цьому році, накладають настільки суворі обмеження на перетин взаємодії частинок звичайної матерії і вімпів, що їх можна виключити з практично повною впевненістю. Грубо кажучи, переріз реакції - це величина, яка описує, з якою ймовірністю стикаються частинки. Уявіть собі, що ви кидаєте точковий м'ячик перпендикулярно книзі, що стоїть на столі; у цьому випадку переріз реакції «кулька збила книгу» приблизно дорівнює площі книжки. Для зіткнень частинок переріз визначається складніше, проте його сенс зберігається. Зокрема, експериментально вимірений переріз реакції «вімп зіткнувся з протоном» не перевищує 10 − 47 квадратних сантиметрів для діапазону мас від 6 до 200 гігаелектронвольт - це дуже мало навіть за мірками мікроміру. Тому фізики поступово перемикаються на альтернативні теорії, в яких спостерігається маса темної матерії пояснюється іншим способом.
Найпростіший з альтернативних варіантів - це випадок, коли маса вімпів не лежить в діапазоні від 10 до 100 гігаелектронвольт, як пророкує більшість теорій, а виявляється менше в силу будь-яких інших причин. Наприклад, спостерігаються астрономами гравітаційні ефекти можна пояснити частинками темної матерії з масою менше десяти гігаелектронвольт, якщо на ранніх етапах життя Всесвіту між частинками і античастинками темної матерії спостерігалася помітна асиметрія. Більш того, деякі групи експериментаторів заявляють, що бачать частинки темної матерії в цьому діапазоні мас, хоча набраної статистики недостатньо, щоб стверджувати що-небудь з упевненістю.
Детектор DarkSide-50, який працює з кінця 2013 року, дослідив діапазон мас вімпів від 1,8 до 20 гігаелектронвольт, і встановив нові обмеження на перетин взаємодії цих частинок зі звичайною матерією, не виявивши жодного кандидата на зіткнення. У робочій області детектора знаходиться 46 кілограмів рідкого аргону, взятого з підземного родовища і має знижений вміст радіоактивного ізотопу аргон-39 (відношення радіоактивних і стабільних атомів менше 4 − 10 − 17). Зріджений газ постійно переглядають 38 циліндричних фотоелектронних множників довжиною близько трьох дюймів, здатних побачити народження електронів, яке супроводжують зіткнення вімпа і атома з енергією віддачі близько 0,6 кілоелектронвольт. Така точність дозволяє відчути частинки темної матерії з масою аж до 1,8 гігаелектронвольт. Перед початком роботи вчені відкалібрували детектор за допомогою джерел гамма-випромінювання (кобальт-57, барій-133 і цезій-137) і переконалися, що комп'ютерна модель, яка використовується для перерахунку експериментальних даних у розсіювання, відтворює роботу установки. Крім того, дослідники перевірили, як установка реагує на зіткнення частинок з атомами аргону і відсікає зайві події - для цього вони просвітили її за допомогою джерел альфа-частинок і нейтронів (241AmBe і 241Am13C). Всього детектор пропрацював з 30 квітня 2015 по 25 квітня 2017, що з урахуванням відбракованих даних дає експозицію близько 6786 кілограмів на день.
На жаль, за два роки роботи DarkSide-50 так і не зареєстрував жодної події, що відповідає зіткненню вімпа з ядром аргону. Це відповідає перерізу розсіювання не більше 10 − 41 квадратних сантиметрів для частинок з масами від 1,8 до 6 гігаелектронвольт. Отримане значення в десять разів менше, ніж результати попередніх аналогічних експериментів, і майже впритул наближається до рівня шуму, створюваного нейтрино (перетин розсіювання нейтрино на атомах аргону приблизно дорівнює 10 − 44 квадратних сантиметрів). Автори сподіваються, що в майбутньому вони ще сильніше розширять діапазон досліджених мас, поліпшивши фотодетектори і розробивши більш коректну модель, що описує іонізацію речовини.
Крім стандартних способів детектування легких частинок темної матерії, фізики пропонують альтернативні методи, які теоретично повинні давати більшу точність. Наприклад, у травні 2015 року американські вчені придумали схему експерименту, яка покладається на явище надпровідності і дозволяє «відловлювати» частинки темної матерії з масою порядку маси електрону (близько 0,5 мегаелектронвольт). У листопаді 2017 року дослідники з Університету Брауна запропонували використовувати для пошуку легких частинок квантове випаровування рідкого гелію. А в квітні 2018 року детектор ADMX - «радіо» для «темних» аксіонів - вперше просканував діапазон мас від 2,66 до 2,81 мікроелектронвольт.
З іншого боку, деякі теоретики вважають, що негативні результати експериментів з пошуку темної матерії пов'язані з тонкими неврахованими ефектами - наприклад, дією невідомої «п'ятої» сили або екрануванням підземних детекторів. Якщо вони мають рацію, то підвищення точності детекторів і розширення діапазону досліджуваних мас не допоможе експериментаторам знайти частинки темної матерії. На жаль, в даний момент неможливо реалізувати схеми, які уникають недоліків, описаних теоретиками.