Детектор DarkSide-50 в 10 раз улучшил ограничения на свойства частиц легкой темной материи
Детектор DarkSide-50 в десять раз улучшил ограничения на сечение взаимодействия частиц обычной материи и вимпов с массой от 1,8 до 6 гигаэлектронвольт — за два года работы детектор так и не зарегистрировал события, отвечающие столкновению частиц. Статья опубликована в Physical Review Letters, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.
Несмотря на то, что в течение последних 30 лет физики активно ищут вимпы — гипотетические частицы темной материи, которые взаимодействуют с частицами обычной материи посредством слабых сил и имеют массу не менее десяти масс протона, — их так и не удалось увидеть в прямом эксперименте. В частности, результаты экспериментов Xenon1T и PandaX-II, опубликованные в этом году, накладывают настолько строгие ограничения на сечение взаимодействия частиц обычной материи и вимпов, что их можно исключить с практически полной уверенностью. Грубо говоря, сечение реакции — это величина, которая описывает, с какой вероятностью сталкиваются частицы. Представьте себе, что вы кидаете точечный мячик перпендикулярно книге, стоящей на столе; в этом случае сечение реакции «шарик сбил книгу» примерно равно площади книжки. Для столкновений частиц сечение определяется сложнее, однако его смысл сохраняется. В частности, экспериментально измеренное сечение реакции «вимп столкнулся с протоном» не превышает 10−47 квадратных сантиметров для диапазона масс от 6 до 200 гигаэлектронвольт — это очень мало даже по меркам микромира. Поэтому физики постепенно переключаются на альтернативные теории, в которых наблюдаемая масса темной материи объясняется другим способом.
Самый простой из альтернативных вариантов — это случай, когда масса вимпов не лежит в диапазоне от 10 до 100 гигаэлектронвольт, как предсказывает большинство теорий, а оказывается меньше в силу каких-либо других причин. Например, наблюдаемые астрономами гравитационные эффекты можно объяснить частицами темной материи с массой менее десяти гигаэлектронвольт, если на ранних этапах жизни Вселенной между частицами и античастицами темной материи наблюдалась заметная асимметрия. Более того, некоторые группы экспериментаторов заявляют, что видят частицы темной материи в этом диапазоне масс, хотя набранной статистики недостаточно, чтобы утверждать что-либо с уверенностью.
Детектор DarkSide-50, работающий с конца 2013 года, исследовал диапазон масс вимпов от 1,8 до 20 гигаэлектронвольт, и установил новые ограничения на сечение взаимодействия этих частиц с обычной материей, не обнаружив ни одного кандидата на столкновение. В рабочей области детектора находится 46 килограммов жидкого аргона, взятого из подземного месторождения и имеющего пониженное содержание радиоактивного изотопа аргон-39 (отношение радиоактивных и стабильных атомов менее 4×10−17). Сжиженный газ постоянно просматривают 38 цилиндрических фотоэлектронных умножителей длиной около трех дюймов, способных увидеть рождение электронов, которое сопровождают столкновение вимпа и атома с энергией отдачи порядка 0,6 килоэлектронвольт. Такая точность позволяет почувствовать частицы темной материи с массой вплоть до 1,8 гигаэлектронвольт. Перед началом работы ученые откалибровали детектор с помощью источников гамма-излучения (кобальт-57, барий-133 и цезий-137) и убедились, что компьютерная модель, которая используется для пересчета экспериментальных данных в сечение рассеяния, воспроизводит работу установки. Кроме того, исследователи проверили, как установка реагирует на столкновения частиц с атомами аргона и отсекает лишние события — для этого они просветили ее с помощью источников альфа-частиц и нейтронов (241AmBe и 241Am13C). Всего детектор проработал с 30 апреля 2015 по 25 апреля 2017, что с учетом отбракованных данных дает экспозицию порядка 6786 килограмм на день.
К сожалению, за два года работы DarkSide-50 так и не зарегистрировал ни одного события, отвечающего столкновению вимпа с ядром аргона. Это отвечает сечению рассеяния не более 10−41 квадратных сантиметров для частиц с массами от 1,8 до 6 гигаэлектронвольт. Полученное значение в десять раз меньше, чем результаты предыдущих аналогичных экспериментов, и почти вплотную приближается к уровню шума, создаваемого нейтрино (сечение рассеяния нейтрино на атомах аргона примерно равно 10−44 квадратных сантиметров). Авторы надеются, что в будущем они еще сильнее расширят диапазон исследованных масс, улучшив фотодетекторы и разработав более корректную модель, описывающую ионизацию вещества.
Помимо стандартных способов детектирования легких частиц темной материи, физики предлагают альтернативные методы, которые теоретически должны давать бо́льшую точность. Например, в мае 2015 года американские ученые придумали схему эксперимента, которая полагается на явление сверхпроводимости и позволяет «отлавливать» частицы темной материи с массой порядка массы электрона (порядка 0,5 мегаэлектронвольт). В ноябре 2017 исследователи из Университета Брауна предложили использовать для поиска легких частиц квантовое испарение жидкого гелия. А в апреле 2018 года детектор ADMX — «радио» для «темных» аксионов — впервые просканировал диапазон масс от 2,66 до 2,81 микроэлектронвольт.
С другой стороны, некоторые теоретики считают, что отрицательные результаты экспериментов по поиску темной материи связаны с тонкими неучтенными эффектами — например, действием неизвестной «пятой» силы или экранированием подземных детекторов. Если они правы, то повышение точности детекторов и расширение диапазона исследуемых масс не поможет экспериментаторам найти частицы темной материи. К сожалению, в данный момент невозможно реализовать схемы, которые избегают недостатков, описанных теоретиками.
Дмитрий Трунин
Статистическая значимость наблюдения составила около семи стандартных отклонений
В эксперименте SND@LHC на Большом адронном коллайдере зарегистрировали мюонные нейтрино со статистической значимостью около семи стандартных отклонений. Это второй эксперимент на Большом адронном коллайдере, который сообщил о надежной регистрации нейтрино. Результаты опубликованы в журнале Physical Review Letters. Нейтрино — элементарная частица, которая обладает крайне малой массой и слабо взаимодействует с веществом. При этом она играет важную роль в физике. До недавнего времени свойства нейтрино изучали в основном в области низких или сверхвысоких энергий, и широкий диапазон от 350 гигаэлектронвольт до 10 тераэлектронвольт оставался неизученным. Наземным источником нейтрино в этом диапазоне энергий является Большой адронный коллайдер. Однако проблема заключается в том, что большая часть рождающихся в нем нейтрино летит вдоль протонного пучка — в слепой зоне основных детекторов, расположенных на коллайдере. Кроме того, из-за малого сечения взаимодействия, нейтринные события сложно выделить на фоне громадной загрузки детекторов от взаимодействий других частиц. Мы недавно писали, что с этой задачей справился эксперимент FASER, впервые зарегистрировав 153 мюонных нейтрино со статистической значимостью 16 стандартных отклонений. Физики из эксперимента SND@LHC сообщили, что им также удалось зарегистрировать мюонные нейтрино со статистической значимостью около семи стандартных отклонений. В отличие от эксперимента FASER, который регистрирует нейтрино с псевдобыстротами более 8,5, чувствительная область SND@LHC сдвинута от основной оси ускорителя, в результате чего он покрывает диапазон псевдобыстрот от 7,2 до 8,4. В этой области одним из основных источников нейтрино являются распады очарованных адронов, вклад которых в эксперименте FASER пренебрежимо мал. Детектор состоит из мюонного вето, 830-килограммовой мишени и адронного калориметра. Основная мишень поделена на пять слоев, каждый из которых включает вольфрамовую пластину, ядерную фотоэмульсию и электронный трекер. Данные с фотоэмульсий на данный момент еще обрабатываются, поэтому ученые провели анализ данных, набранных только при помощи электронных трекеров. Физики отобрали 8 событий по их геометрическому расположению в детекторе и сигнатуре, соответствующей ожидаемой от мюонных событий. При этом ожидаемый фон составил 0,086 события. Такое превышение сигнала над фоном исключает нулевую гипотезу на уровне 6,8 стандартного отклонения. Количество нейтринных событий в эксперименте оказалось больше ожидаемых 4,2 события. Однако результаты согласуются с предсказанием на основе компьютерного моделирования в рамках полученных ошибок. Большой адронный коллайдер становится новым инструментом для изучения нейтрино в пока плохо изученной области энергий. О том, какие новые технологии используют при изучении нейтрино в области низких энергий мы беседовали с Дмитрием Акимовым, представителем коллаборации COHERENT.