Ученые сделали еще один шаг к раскрытию тайны темной материи

16.07.2020

Согласно данным астрофизических наблюдений масса темной материи во Вселенной более чем в пять раз превышает массу видимой материи. Благодаря огромной массе темная материя влияет на движение звезд, и тем не менее в лабораторных условиях нам не удалось зарегистрировать от нее сигнал. Раскрыть природу темной материи – это важнейшая задача современности. Колоссальные усилия предпринимаются в настоящее время для решения этой задачи. Поиск идет широким фронтом, поскольку невозможно уверенно предсказать, где нас ожидает это важное открытие.

Большая часть экспериментов по поиску темной материи проводится с использованием жидких благородных газов в качестве мишени. Работы сфокусированы на поиск WIMP – массивных слабовзаимодействующих частиц. Такие частицы, рассеиваясь на ядрах мишени, дают слабый сигнал от ионизации вещества мишени ядром отдачи. Масштаб этих экспериментов впечатляет: тонны рабочего вещества, а чувствительность настолько высока, что достигла уже «нейтринного дна» — когда ожидаемый эффект от темной материи сравнивается с ожидаемым эффектом от солнечных нейтрино. И тем не менее, эффект пока не зарегистрирован.

В эксперименте с жидким ксеноном XENON1T в Италии наблюдается некий избыток событий над фоном в области 2-3 кэВ электронов отдачи, который вызвал определенный ажиотаж среди физиков, работающих над этой проблемой, и сейчас предпринимаются попытки дать объяснение этому избытку в рамках той или иной теоретической модели. Пока все это носит дискуссионный характер.

В эксперименте DAMA/LIBRA в Италии с низкофоновыми сцинтилляционными детекторами NaI(Tl) в течение многих лет наблюдаются сезонные вариации, согласующиеся с ожидаемыми вариациями от WIMP за счет изменения скорости Земли относительно гало темной материи во время ее вращения вокруг Солнца. Наблюдаемый эффект очень впечатляет, но, к сожалению, он пока не нашел независимого подтверждения и, кроме того, его трудно согласовать с данными, полученными в других экспериментах. Интрига обостряется, но пока она далека от разрешения. Понятно, что в этих условиях предпринимаются попытки расширить географию поиска. Существует множество теоретических моделей, предлагающих разные варианты в качестве кандидатов на темную материю. Среди них – скрытый фотон, который может быть зарегистрирован за счет кинетического смешивания с обычным фотоном. Константа кинетического смешивания в качестве безразмерного параметра, определяющего интенсивность этого процесса, входит в соответствующий Лагранжиан. Предпринимаются попытки «увидеть» скрытый фотон с помощью ускорительной техники. Так, в эксперименте NA64 в ЦЕРНе исследована область больших масс. Поиск скрытых фотонов здесь идет по продуктам его распада на лептоны. По результатам работы за 2016-2018 годы получены наиболее сильные ограничения на параметр смешивания для больших масс ≤ 0.2 ГэВ.

В Институте ядерных исследований РАН идет поиск скрытых фотонов, используя специально разработанный для этого прибор – мультикатодный счетчик. Здесь мишенью являются свободные электроны вырожденного электронного газа металла (алюминия). В этом – уникальность используемой методики. Согласно последним результатам, опубликованным в журнале «Космология и астрофизика» (А.Копылов, И.Орехов и В.Петухов “Результаты поиска скрытых фотонов темной материи используя мультикатодный счетчик) получен предел на параметр кинетического смешивания для скрытых фотонов < 1˖10-11 для массы скрытых фотонов от 9 до 40 эВ. Этот результат включен в компиляцию новых данных по элементарным частицам (Группа по данным элементарных частиц) для публикации в журнале «Прогресс в теоретической и экспериментальной физике».

Полученный результат является важным рубежом в исследовании природы холодной темной материи на мишени из свободных электронов вырожденного электронного газа металла. Дальнейшее продвижение в этом направлении исследований планируется проводить с помощью набора мультикатодных счетчиков ортогонально ориентированных и размещенных в шахтах на различной географической широте, в том числе, на Байкальской нейтринной обсерватории Института ядерных исследований Российской академии наук. Если поле скрытых фотонов ориентировано в определенном направлении относительно галактики, должны наблюдаться суточные вариации скорости счета от скрытых фотонов с характерной амплитудой и фазой, зависящей от ориентации счетчика и от географической широты его местоположения. Подробно это изложено в препринте arXiv:2006.05452. Готовится публикация в журнале Объединенного института ядерных исследований «Физика элементарных частиц и атомного ядра».