160 килограмм ксенона «закрыли» сезонность сигналов темной материи

Коллаборация XENON провела многолетний анализ возможных событий детектирования частиц темной материи в установке XENON100 и не обнаружила следов сезонности этих данных. Это частично опровергает результат другой коллаборацией, DAMA. Физики заявили в начале 2000-х годов о первой фиксации частиц темной материи на основе сезонных колебаний событий в детекторе. Препринт исследования опубликован на сервере arXiv.org, кратко о нем сообщает New Scientist.

Современные исследования показывают, что темная материя составляет около 22 процентов общей массы Вселенной. Несмотря на обширные поиски, физикам до сих пор не удалось найти частиц, из которых она состоит. Среди возможных кандидатов на эту роль WIMP, слабо взаимодействующие массивные частицы (как минимум в десятки раз больше массы протона). Согласно астрофизическим наблюдениям, у каждой галактики есть неподвижное гало из темной материи, взаимодействие которого с обычной материей ученые и пытаются обнаружить.

Для этого создаются различные эксперименты с примерно одинаковым принципом работы: некое рабочее тело детектора помещают в тщательно изолированную от внешних воздействий среду и ищут необычные события распадов. Последние проявляют выбросами энергии (вспышками) и различных осколков, что фиксируется фотодетекторами. Один из таких экспериментов, DAMA (DArk MAtter), начал собирать статистику в 1995 году. Его рабочим телом выступают кристаллы иодида натрия. Анализируя данные ученые обнаружил необычную закономерность. Отбросив шумы, связанные с распадами радиоактивных изотопов в окружении детектора (а он находится в тоннеле под 1400 метрами скальной породы), физики заметили, что частота вспышек изменялась периодически, в зависимости от времени года.

Ученые интерпретировали эти данные как изменение взаимодействия с темной материей при движении Земли вокруг Солнца. Это предположение основано на том, что относительно неподвижной темной материи Солнце движется со скоростью 232 километра в секунду, при этом скорость нашей планеты полгода сонаправлена со скоростью звезды, а полгода — направлена в противоположную сторону. Это должно приводить к колебаниям скорости Земли относительно темной материи с амплитудой в десятки километров в секунду. Однако такая трактовка результатов эксперимента неоднократно подвергалась сомнениям.

К 2013 году DAMA, увеличив чувствительность детектора, подняла статистическую значимость сезонных колебаний событий до 9,3 сигма — эта величина гораздо больше, чем минимально требуемая для признания открытия (пять сигма). Но любой эксперимент для признания его реальным физическим эффектом требует также и воспроизводимости. В 2009 году в США был поставлен аналогичный эксперимент с германиевым рабочим телом — CoGeNT, который сначала также продемонстрировал намеки на сезонные вариации сигнала. Однако с увеличением количества собранных данных сезонность пропала.

Эксперимент XENON100 — еще одна попытка найти следы взаимодействия темной материи с обычным веществом. В роли его рабочего тела выступает 160 килограмм жидкого ксенона. Детектор, по расчетами разработчиков, обладает гораздо большей чувствительностью, чем DAMA. 

В новой работе коллаборация XENON проанализировала около четырех лет работы детектора (2010-2014) в поисках сезонных колебаний в возможных проявлениях темной материи. Первичный анализ показал, что со статистической значимостью в 5,7 сигма детектор не видит годичных колебаний, замеченных DAMA. Это может значить, что сигнал DAMA вызван некими другими процессами, не связанными с «ветром» из частиц темной материи. Другое более экзотичное объяснение — темная материя по разному взаимодействует с иодидом натрия и с ксеноном. 

Кроме того, физики XENON увидели намеки на другую сезонную модуляцию сигнала, с периодом в 435 дней. Однако статистическая значимость этого наблюдения не достигает двух сигма и недостаточна для каких-либо серьезных заявлений — оно может оказаться случайной флуктуацией. 

Проверить гипотезу о том, что иодид натрия по каким-то причинам более чувствителен к темной материи, чем ксенон, можно будет с помощью австралийского эксперимента SABRE — точной копии DAMA. Первые результаты с детектора ожидаются уже в 2017 году. 

В последние годы детектор XENON100 был усовершенствован до 3,5-тонного XENON1T. Прибор вновь заработал в марте 2016 года и набирает статистику. Его чувствительность на три порядка превосходит предшественника. 

Владимир Королёв