Физики установили ограничения для темной материи
Результаты исследований двух ведущих миссий по поиску темной материи проигнорировали загадочный сигнал, обнаруженный в 2020 году. Кроме того, физики установилит новые ограничения для частиц темной материи. Речь идет о так называемых «легких фермионах», пишет Альтернативная наука.
Вместе стем остается аксиоматичным, - реальных доказательств тому нет, - утверждение, что темная материя составляет большую часть материи во Вселенной.
Исследователи даже составили космическую карту возможного распределения ТМ, опираясь на данные о «растяжении» далеких галактик.
Но мы до сих пор не знаем, что такое темная материя. Над этой нерешенной загадкой работают теоретики и экспериментаторы.
Новая техника продолжает бить рекорд за рекордом своей чувствительности к слабым взаимодействиям частиц. На этой неделе два ведущих эксперимента по поиску темной материи - эксперимент XENON на базе Гран-Сассо в Италии и PandaX Китайской подземной лаборатории Цзиньпин - опубликовали результаты своих последних исследований.
XENON продемонстрировал, что дразнящий сигнал, о котором сообщалось в 2020 году, был вызван фоновым шумом, а не новой физикой, и установил строгие ограничения на различные типы темной материи, на которые те же физики ссылались для объяснения сигнала.
Коллаборация PandaX провела аналогичное измерение, также не обнаружив никаких событий сверх ожидаемого фона.
Ученые использовали нулевой результат, чтобы вывести наиболее строгие на сегодняшний день ограничения на гипотетические свойства гипотетической темной материи, обозначив ее как «легкая фермионная темная материя».
В таких экспериментах, как XENON и PandaX, используются огромные баки с очищенным жидким ксеноном для поиска свободных электронов и фотонов, образующихся при столкновении частиц темной материи с частицами в детекторе.
Оба эксперимента последовательно повышали свою чувствительность за счет увеличения количества ксенона, при этом текущие итерации XENON и PandaX-4T используют около 6 и 4 тонн жидкого ксенона, соответственно.
Повышение чувствительности также зависит от огромных усилий по минимизации фонового шума, который может выглядеть как сигнал.
В современных экспериментах доминирующий фон возникает из-за следов радиоактивных изотопов в установке или в окружающей среде.
И XENON, и PandaX в основном сосредоточены на поиске ведущего кандидата в темную материю - слабо взаимодействующей массивной частицы (WIMP), чья масса должна превышать 10 ГэВ/c2.
Ожидается, что WIMP в основном рассеиваются на атомных ядрах, создавая характерный сигнал ядерной отдачи. Однако ученые, изучающие темную материю, могут искать другие сигналы - например, отдачу электронов, - которые создаются темной материей, не являющейся WIMP.
В июне 2020 года XENON1T, меньший предшественник XENONnT, показал результат, привлекающий внимание: он зарегистрировал больше событий отдачи электронов, чем ожидалось от известных фоновых явлений.
Результаты вызвали шквал теоретических исследований, моделирующих новые частицы. Прежде всего - нестандартные нейтрино, легкие бозонные частицы темной материи и солнечные аксионы. Именно они были призваны создателями избыточного сигнала.
Исследователи XENON, однако, признали неопределенность в отношении влияния фона, обусловленного изотопами трития. Всего несколько атомов на килограмм ксенона могли бы объяснить наблюдаемый сигнал.
Теперь XENONnT предоставил значительно улучшенные данные, которые не показывают никакого избыточного сигнала. Улучшение произошло благодаря увеличению объема ксенона (в 3 раза) и мерам по снижению фона.
В частности, физики снизили вероятность попадания трития в эксперимент, перегоняя детектор перед запуском и пропуская жидкий ксенон через установки, удаляющие водород и его изотопы.
Цзинцян Йе из Колумбийского университета, координатор анализа данных коллаборации XENON, говорит, что полученные результаты ставят крест на идее, что XENON1T мог обнаружить темную материю.
"Мы никогда не узнаем наверняка, чем вызвано превышение XENON1T, но теперь мы знаем, что это не новая физика", - говорит он.
Группа PandaX-4T тщательно изучило сигналы от отдачи электронов в том же энергетическом диапазоне, что и XENONnT. Команда также не нашла никаких намеков на избыточные события, хотя эксперимент имеет гораздо больший фон при энергиях избытка XENON1T (в основном из-за остатков трития, введенных в установку для калибровки, которые команда постепенно удаляет).
Однако экспериментаторы просеяли свои данные в поисках специфических признаков фермионной частицы темной материи с массой от 10 до 180 кэВ/c2. Поиск легкой темной материи был мотивирован недавней теоретической работой, предполагающей, что эти частицы могут поглощаться электронами, создавая наблюдаемые сигналы в экспериментах по прямому обнаружению.
PandaX не обнаружил таких сигналов, что привело к определению ограничений на силу связи между легкой фермионной темной материей и электронами. Анализ был сосредоточен на темной материи, чьи предполагаемые взаимодействия с электронами описываются векторными и аксиально-векторными операторами.
"Мы выбрали эти взаимодействия, потому что они очень слабо ограничены астрофизическими и космологическими наблюдениями", - поясняет Дэн Чжан из Мэрилендского университета в Колледж-Парке.
По ее словам, этот выбор позволил коллаборации установить самые строгие на сегодняшний день ограничения. Правда, отдельное исследование было ориентировано поиск сигнала от легкой фермионной темной материи, взаимодействующей с атомными ядрами. Но оно также оказалось правильным.
Тот факт, что физики смогли так быстро проверить и исключить избыточный сигнал XENON1T, является успехом научного метода, уверен Хью Липпинкотт из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, представитель еще одной коллаборации, LUX-ZEPLIN (LZ). Аналогичная установка расположена в подземном исследовательском центре Сэнфорда в Южной Дакоте, который только что опубликовал результаты своего первого поиска WIMP.
При постоянном совершенствовании в течение следующих нескольких лет XENON, PandaX и LZ смогут "исследовать совершенно новую область пространства параметров", - надеется физик.
Дальнейшее расширение масштаба уже в работе: исследователи XENON и LZ недавно договорились объединить усилия для создания на порядок более мощного детектора.
Липпинкотт добавляет, что "с таким количеством ксенона в очень тихом пространстве" ученые могли бы изучать множество интересных вещей помимо темной материи, включая нейтрино и чрезвычайно редкие процессы.
XENON1T уже продемонстрировал такие возможности, измерив процесс захвата электронов.
Йе согласен с тем, что сверхчувствительные детекторы могут "увидеть" вещи, отличные от тех, для обнаружения которых они были созданы.
Он говорит, цитируя Фримена Дайсона, что новые направления в науке чаще всего открываются благодаря новым инструментам, а не новым концепциям.