Детектор PandaX-II наложил самые строгие ограничения на самодействующую темную материю

Группа PandaX-II рассмотрела модель самодействующей темной материи (SIDM) и установила ограничения на массу переносчика взаимодействия и массу вимпов, используя данные детектора PandaX-II, который не зарегистрировал ни одного кандидата на частицу темной материи за 155 дней наблюдений. Это первая экспериментальная проверка модели SIDM с помощью непосредственного эксперимента. Статья опубликована в Physical Review Letters и находится в свободном доступе.

Большинство современных физиков не сомневаются в существовании темной материи — с ее помощью сравнительно просто увязать данные телескопов и гравитационного линзирования, а также объяснить кривые вращения галактик и флуктуации реликтового излучения, измеренные спутником «Планк». Конечно, все эти явления можно объяснить и с помощью более сложных теорий (например, MOND), однако в модели темной материи они возникают наиболее естественным образом. К сожалению, напрямую частицы темной материи никто не видел — они так слабо взаимодействуют с частицами Стандартной модели, что практически беспрепятственно проходят сквозь Землю. Кроме того, считается, что частицы темной не могут излучать фотоны — собственно, именно поэтому ее и называют «темной». Основным кандидатом на роль темной материи считаются вимпы (WIMP) — частицы с массой более десяти масс протона, которые участвуют только в слабых взаимодействиях.

Чтобы поймать частицы темной материи, физики строят огромные детекторы, масса которых доходит до нескольких тонн. Когда влетающий в детектор вимп наталкивается на частицу рабочего вещества, она ускоряется и излучает фотоны; в свою очередь, чувствительные датчики отслеживают выделение тепла или вспышки света и сообщают о кандидатах на процессы с участием частицы темной материи. Пока еще такие процессы достоверно не наблюдались. Как правило, считается, что взаимодействие происходит точечно, поскольку переданный частице импульс много меньше характерных масштабов слабых взаимодействий (масса W- и Z-бозонов равна по порядку ста гигаэлектронвольтам). Тем не менее, некоторые теории, например, модель самодействующей темной материи (self-interacting dark matter, SIDM), предполагают, что темная материя участвует в еще одном виде взаимодействия, переносчики которого имеют гораздо меньшую массу. В пользу этой теории выступают наблюдения за движением звезд в карликовых галактиках, которые нельзя объяснить в рамках модели темной материи без взаимодействия. В этом случае сечение рассеяния будет зависеть от переданного импульса, падая обратно его четвертой степени по сравнению со случаем точечного взаимодействия.

Группа PandaX-II проверила эту возможность, теоретически рассматривая теорию самодействующей темной материи и проверяя ее предсказания с помощью детектора PandaX-II. Рабочий объем детектора содержит около 570 килограмм жидкого ксенона, которые прослеживаются массивами фотолюминесцентных трубок, расположенных на дне и потолке детектора. Для снижения фона космических частиц детектор помещен в Китайскую подземную лабораторию Цзиньпин (China Jinping Underground Laboratory), которая находится на глубине около 2,4 километров. Ученые проанализировали данные, собранные детектором в течение 80 дней в 2016 году и 77 дней в 2017 году (ни одного кандидата на процесс с темной материей), и вычислили на их основании сечение рассеяния частицы на нуклонах.

Затем физики проверили, при каких массах вимпа M и переносчика гипотетического нового взаимодействия m модель SIDM воспроизводит наблюдаемые данные, то есть измеренную частоту событий, в которых рождается различное число фотоэлектронов. Из-за того, что сечение быстро падает с ростом импульса, при равной полной интенсивности сигнала (то есть одинаковом числе фотоэлектронов, зарегистрированных за весь период наблюдения) в модели SIDM чаще происходят события, в которых рождается мало фотоэлектронов. К сожалению, чувствительность детектора быстро падает с уменьшением числа фотоэлектронов — в результате накладываемые на параметры модели ограничения оказываются менее строгими, если масса m сравнима с импульсом отдачи атома ксенона.

Рассматривая разные модели «темного взаимодействия» и разные значения константы связи, а затем сравнивая предсказанное сечение рассеяния с измеренным, ученые определили область допустимых значений масс m и M. Таким образом, исследователи установили ограничения снизу на массу переносчика взаимодействия в зависимости от массы вимпа. Наконец, ученые сопоставили эти результаты с предсказанными значениями параметров, рассчитанными на основании наблюдений за карликовыми галактиками. Оказалось, что новые данные практически исключают массы вимпов M > 7 гигаэлектронвольт. С одной стороны, чем массивнее вимп, тем легче должен быть переносчик взаимодействия, чтобы поддерживать сечение взаимодействия частиц темной материи на уровне, предположительно наблюдаемом в карликовых галактиках. С другой стороны, данные PandaX-II показывают, что даже для вимпов с большой массой масса переносчика не может быть меньше определенного значения.

В конце мая этого года группа XENON сообщила о результатах работы детектора XENON1T, содержащего около 3,5 тонн жидкого ксенона — несмотря на то, что детектор работал более девяти месяцев, он так и не зарегистрировал ни одного события, отвечающего рассеянию частицы темной материи. А в начале мая этого года группа CDMS начала строить новый детектор темной материи, чувствительность которого более чем в 50 раз превысит чувствительность предыдущей версии установки.

Параллельно с поисками экспериментаторов физики-теоретики пытаются объяснить неудачи при регистрации темной материи некоторыми неучтенными факторами, которые не дают детекторам работать на полную мощность. Например, в ноябре прошлого года физик из Брукхейвенской национальной лаборатории Хуман Давудиазл предположил, что частицы темной материи отталкиваются от частиц Стандартной модели под действием неизвестной силы с эффективным радиусом, сравнимым с радиусом Земли — получается, будто темная материя «обтекает» тела, но практически не чувствует новую силу на галактических масштабах. А в начале этого месяца датские ученые показали, что подземные детекторы не могут зарегистрировать частицы сильно взаимодействующей темной материи, которые имеют массу от 0,1 до 20 гигаэлектронвольт и сечение взаимодействия от 10⁻²⁵ до 10⁻⁴⁷ квадратных сантиметров. В этом случае частицы темной материи по-прежнему очень слабо взаимодействуют с частицами Стандартной модели, однако рассеиваются в земной коре и не успевают дойти до детекторов.

Дмитрий Трунин