Физики заподозрили земную кору в «ослеплении» детекторов темной материи

Датские физики показали, что существующие подземные детекторы темной материи принципиально не могут зарегистрировать сильно взаимодействующую темную материю, поскольку ее частицы рассеиваются и замедляются в земной коре. Статья опубликована в Physical Review D.

Темная материя составляет примерно 22 процента от массы Вселенной, что почти в пять раз превышает вклад обычной материи, однако физикам до сих пор так и не удалось увидеть ее в прямых экспериментах. Несмотря на то, что последние двадцать лет ученые активно ищут частицы темной материи, все, что им удалось получить — невероятно низкие оценки на сечение рассеяния частиц (грубо говоря, вероятность их взаимодействия). В настоящее время это сечение ограничивается сверху величиной порядка 10⁻⁴⁶ квадратных сантиметров. Конечно, некоторые эксперименты утверждали, что видят сигналы, отвечающие рассеянию частиц темной материи (группы DAMA, CDMS), однако ни один из этих сигналов не был подтвержден в независимых экспериментах, а потому они не могут считаться достоверными.

В основе конструкции типичного детектора темной материи лежит огромная масса обычного вещества (например, жидкого ксенона), которая постоянно просматривается чувствительными детекторами, способными почувствовать даже очень слабую вспышку света. Расчет заключается в том, что при рассеянии частицы темной материи на частице обычной материи в объеме вещества выделяется тепло и излучаются фотоны, причем по характерной энергии отдачи, углу разлета частиц и другим параметрам процесса можно точно установить массу частицы, запустившей реакцию. Соответственно, чем больше масса детектора и чем дольше мы ведем наблюдение, тем выше вероятность увидеть рассеяние частицы темной материи. Способы детектирования и химический состав вещества у каждого детектора могут отличаться, однако основная цель физиков-экспериментаторов, ищущих темную материю, всегда одинакова — увеличить массу рабочего вещества и удлинить период наблюдений. Кроме того, нужно как можно сильнее уменьшить фоновый шум от других частиц (например, мюонов), который мешает выделить потенциальных кандидатов на темную материю. Для этого детекторы дополнительно экранируют и помещают глубоко под землю — например, строящийся в настоящий момент детектор SuperCDMS будет находиться в подземной лаборатории комплекса SNOLAB на глубине около двух километров.

Тем не менее, датские физики-теоретики Тимон Эмкен (Timon Emken) и Крис Куварис (Chris Kouvaris) заметили, что помещение детекторов глубоко под землю может быть как преимуществом, так и недостатком. В самом деле, все такие эксперименты предполагают, что сечение взаимодействия частиц темной материи с частицами обычной материи слишком мало, чтобы километровый слой земли вызвал хоть сколько-нибудь заметное уменьшение их количества. С другой стороны, если сечение будет лежать в промежуточной области, то частицы темной материи будут все так же слабо взаимодействовать с обычным веществом, однако будут рассеиваться и тормозиться по пути к детектору. В этом случае увеличение массы и длительности периода наблюдений не поможет экспериментаторам увидеть темную материю.

Чтобы проверить это предположение, физики оценили число частиц, которое сможет зарегистрировать детектор при учете влияния земной коры. Для этого они рассмотрели две теоретические модели разной степени точности, а также численно смоделировали ослабление потока с помощью метода Монте-Карло. Разработанную программу, получившую название DAMASCUS-CRUST, ученые запускали на суперкомпьютере Abacus 2.0, оперирующем примерно 14 тысячами ядер. При моделировании исследователи учитывали не только отражение частиц обратно в космос, но и уменьшение их скорости в результате рассеяния, поскольку из-за особенностей конструкции детекторы могут почувствовать только частицы с достаточно большой кинетической энергией.

Используя разработанную программу, ученые пересчитали ограничения на сечение взаимодействия темной и обычной материи, определенные в известных экспериментах (например, XENON1T, CRESST и DAMIC). Оказалось, что в диапазоне масс от 0,1 до 20 гигаэлектронвольт и сечениях от 10⁻²⁵ до 10⁻⁴⁷ квадратных сантиметров существует область параметров, которую не могут исследовать существующие подземные детекторы. Верхняя граница рассмотренного физиками диапазона определялась спектром реликтового излучения (если бы частицы темной и обычной материи взаимодействовали на ранних этапах жизни Вселенной, этот спектр существенно изменился бы), а нижняя — фоном нейтрино, от которого принципиально нельзя избавиться. В диапазоне масс от 0,1 до 0,3 гигаэлектронвольт подземные детекторы в принципе не могут зарегистрировать частицы темной материи, в не зависимости от массы вещества и длительности наблюдений. Поэтому авторы статьи призывают строить детекторы не только под землей, но и на поверхности. Вероятно, для большей точности их даже придется запускать в верхние слои атмосферы подобно детектору XQC (X-ray Quantum Calorimeter experiment). При этом экспериментаторам придется придумывать, как избавиться от фонового шума частиц обычной материи, не прибегая к экранированию детектора.

В ноябре прошлого года физик-теоретик Хуман Давудиазл предложил альтернативное объяснение тому факту, что земные детекторы темной материи до сих пор не смогли ничего зарегистрировать. В своей работе физик предположил, что вокруг Земли возникает эффективный потенциал, который отталкивает от нее практически все вимпы, однако экспоненциально быстро спадает на больших масштабах, а потому не сказывается на поведении темной материи в галактических гало. В этом случае наблюдаемое ничтожно малое сечение рассеяния частиц темной материи на частицах Стандартной модели оказывается связано не со слабостью их взаимодействия, а с низкой концентрацией частиц вблизи поверхности Земли. К сожалению, экспериментально проверить предложенную гипотезу очень сложно, и текущей точности детекторов темной материи для этого не хватает.

Дмитрий Трунин