Детектор XENON1T не увидел ни одной частицы темной материи за девять месяцев работы

Детектор XENON1T, содержащий 3,5 тонны ксенона (1,3 тонны в рабочем объеме), проработал 279 дней, но так и не обнаружил частицы темной материи. Это практически исключает существование гипотетических частиц — вимпов — с массами от 6 до 200 гигаэлектронвольт. Статья о результатах работы принята к публикации в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает пресс-релиз организации.

Темная материя составляет около 20 процентов массы Вселенной, однако все свидетельства в пользу ее существования, такие как кривые вращения галактик, гравитационное линзирование и измерение темпа расширения Вселенной, носят гравитационный характер. Физики до сих пор не знают, из чего состоит темная материя. Это не могут быть частицы Стандартной модели, поскольку они испускали бы электромагнитное излучение и были бы обнаружены с помощью телескопов. Поэтому ученые считают, что темная материя состоит из каких-то неизвестных частиц, которые практически беспрепятственно проходят сквозь обычное вещество, но имеют достаточно большую суммарную массу, чтобы проявлять себя в гравитационных взаимодействиях.

Основной кандидат на гипотетические частицы темной материи — это вимпы, слабо взаимодействующие массивные частицы (Weakly Interacting Massive Particles, WIMP). Предполагается, что эти частицы имеют массу порядка 1-100 гигаэлектронвольт (то есть массивнее протона) и участвуют только в слабом и гравитационном взаимодействии, поэтому сечение их взаимодействия с обычными частицами должно быть очень маленьким, хотя и отличным от нуля. Теоретически, это позволяет зарегистрировать частицу, если соорудить большой детектор, содержащий очень много атомов вещества, и наблюдать за ним в течение долгого времени. Рано или поздно вимп столкнется с ядром одного из атомов и вызовет характерную вспышку, которую можно увидеть с помощью стандартных измерительных приборов. По величине отдачи частицы можно оценить массу вимпа, а по частоте вспышек — сечение взаимодействия. В свое время этот способ был проверен на нейтрино, которые тоже очень слабо взаимодействуют с веществом, однако для частиц темной материи подобные события пока не наблюдались.

Детектор XENON1T относится именно к такому типу установок. В качестве рабочего тела в нем используется 3,5 тонны жидкого ксенона, охлажденного до температуры около 178 градусов Кельвина (−95 градусов Цельсия). Правда, эффективно из них «работают» только 1,3 тонны, находящиеся в центре детектора (так называемый fiducial volume), защищенные от фонового шума периферийными областями и дополнительным слоем воды толщиной около 10 метров. Объем детектора постоянно просматривают чувствительные фотодетекторы, которые могут заметить слабую вспышку, которая возникает при столкновении вимпа с атомом ксенона. Кроме того, детектор пронизывает сильное электрическое поле, которое ускоряет электроны, оторвавшиеся от атома при столкновении, и направляет их на слой сцинтиллятора, расположенный около крышки камеры. Измеряя временную задержку между событиями, ученые оценивают параметры частицы, столкнувшейся с атомом, и отсеивают лишние события (например, события, отвечающие столкновению с мюоном).

По оценкам ученых, рассчитанным на основании данных предыдущих экспериментов, за 279 дней наблюдений детектор должен был зарегистрировать одно-два события, отвечающих столкновениям с вимпами. К сожалению, в действительности подобные события не наблюдались. Таким образом, эксперимент устанавливает самые жесткие ограничения на сечение взаимодействия вимпов с частицами обычной материи — как следует из экспериментальных данных, оно не должно превышать 10⁻⁴⁷ квадратных сантиметров в диапазоне масс от 6 до 200 гигаэлектронвольт.

История проекта XENON началась более 10 лет назад — первая версия детектора начала работать в марте 2006 года и содержала 15 килограммов жидкого ксенона (5 килограмм в рабочей области). В 2008 году объем рабочей области детектора был увеличен до 62 килограмм; это позволило ученым увеличить чувствительность установки на несколько порядков и опровергнуть результаты группы DAMA, заявлявшей о регистрации сезонных колебаний сигнала темной материи. Работа над текущей версией детектора, содержащей 3,5 тонны благородного газа, закончилась в ноябре 2015 года, а результаты первого пробного запуска, продлившегося около месяца, были опубликованы в мае прошлого года. Разумеется, в тот раз детектор тоже ничего не нашел. Тем не менее, физики не теряют надежды и продолжают совершенствовать детектор — так, в следующей его версии масса рабочей области будет доведена до четырех тонн, а фоновый шум снижен в десять раз.

Стоит отметить, что конструкция детектора XENON1T позволяет ему «чувствовать» только частицы с массой от 6 до 200 гигаэлектронвольт — другими словами, нельзя утверждать, что результаты измерений полностью исключают вимпы. Как бы то ни было, это серьезный аргумент против их существования, а отрицательные результаты других экспериментов по поиску вимпов только усугубляют ситуацию. Поэтому в последнее время физики постепенно переключаются на проверку других теорий, в которых частицы темной материи обладают совершенно другими свойствами — например, сверхлегких аксионов или первичных черных дыр. Тем не менее, эти поиски тоже пока еще не увенчались успехом.

Дмитрий Трунин