Ускоритель темной материи облегчит ее поиски

Ученые описали способ увеличения энергии частиц темной материи, что должно облегчить их регистрацию в детекторах. Предложенный метод основан на взаимодействии с ядрами в метастабильных состояниях, которое должно приводить к передаче энергии и ускорению частиц темной материи. Подходящие ядра встречаются как в природе, так и оказываются побочными продуктами работы атомных реакторов и медицинской аппаратуры, пишут авторы в журнале Physical Review D.

Темная материя — это гипотетический новый компонент Вселенной, который решает несколько проблем современной космологии и позволяет привести теоретические расчеты в соответствие с наблюдениями. Существует множество принципиально разных вариантов темной материи, но наиболее разработанным и популярным среди ученых является представление о ней как о новом типе частиц, не участвующих в электромагнитном взаимодействии.

На данный момент нет убедительных данных о существовании частиц темной материи, только верхние ограничения на параметры их взаимодействий с обычным веществом. Как правило, эти результаты получены в экспериментах, где физики ищут соударения частиц темной материи с электронами или ядрами обычных атомов, из-за чего последние приобретают заметную скорость и вызывают срабатывание детектора.

Однако частицы в рамках ряда гипотез о природе темной материи, в том числе неупругой темной материи и сильно взаимодействующей темной материи, не должны передавать значительное количество энергии, что делает существующие методы поиска неэффективными. В связи с этим данные идеи остаются значительно хуже протестированными с помощью опытов по прямому поиску.

Максим Поспелов (Maxim Pospelov) из Института теоретической физики Периметр в Канаде и его коллеги из США предложили способ обойти данное ограничение. Для его реализации необходимо обеспечить взаимодействие низкоэнергетической частицы темной материи с ядром в метастабильном состоянии. В таком случае ядро вернется в основное состояние, а выделившаяся энергия будет распределена между частицей темной материи и излученным фотоном. В результате получается ускоритель для темной материи, который может перевести энергию искомых частиц в подходящий для регистрации диапазон.

Для реализации задумки рядом с обычным детектором темной материи необходимо поместить резервуар с метастабильными ядрами. Необходимо подобрать ядра с малой вероятностью спонтанного перехода в основное состояние, чтобы они могли оставаться метастабильными в течение долгого времени. Такие состояния известны — это изомерные состояния, переходы из которых запрещены правилами отбора по спину или четности. В результате время их полураспада может достигать миллиардов лет, но в случае обмена угловым моментом при рассеянии на другой частице правило отбора перестает действовать и происходит быстрый распад.

Теоретически, такой метод предоставляет три возможности наблюдать искомый сигнал: по излучению фотона при распаде метастабильного состояния, по вторичному рассеянию темной материи в теле детектора или по распаду самой частицы темной материи из-за получения большой энергии.

Авторы называют четыре изомера наиболее подходящими для этой цели: ^180mTa, ^177mLu, ^137mBa и ^78mHf. Для времени полураспада тантала существует лишь нижняя граница на уровне 10¹⁶ лет, у бария оно равно 2,55 минутам, у лютеция — 160 дням, а у гафния — 31 году. Тантал можно добывать из естественных источников, так как данный изомер настолько устойчив, что его распад никогда еще не наблюдался, барий накапливается в отходах атомных реакторов, лютеций — в отходах от радионуклидного лечения рака, гафний в нужном состоянии остался от неудавшихся старых экспериментов по попыткам сохранения энергии в метастабильных изомерах.

Ранее физики оценили параметры темной материи, использовав в качестве детектора живых людей, запретили ей состоять из черных дыр с массой Луны и опровергли идею о сверхтекучей темной материи с помощью наблюдений динамики Млечного Пути. Об основных моделях этого компонента Вселенной мы делали тест — «Какая ты темная материя?».

Тимур Кешелава