Функционирует при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям (Роспечать)

Новые поиски темной материи предложили вести на старых детекторах

Чувствительности различных детекторов (в единицах сечения реакции) к поглощению гипотетической χ-частицы на нуклоне в зависимости от массы покоя χ-частицы

Jeff A. Dror et al. / Physical Review Letters, 2020

Физики проанализировали возможные механизмы поглощения частиц темной материи и показали, что такие реакции могут регистрировать уже существующие детекторы. Это дает возможность приспособить ряд имеющихся экспериментов для поиска гипотетических частиц и получить новые ограничения на их параметры, почти не прибегая к дополнительным затратам. Текст работы опубликован в журнале Physical Review Letters.

Темная материя — это гипотетическая форма вещества, которая не участвует в электромагнитном взаимодействии. Впервые о ее существовании ученые заговорили в начале прошлого века. Тогда исследователи обнаружили, что галактикам и галактическим скоплениям не хватает обычной массы, чтобы двигаться с наблюдаемой скоростью, — для этого нужна невидимая компонента вещества, которая многократно усиливает гравитацию. С тех пор физики получили множество экспериментальных и теоретических свидетельств, указывающих на существование темной материи (подробнее об этом можно почитать в нашем интервью с астрофизиком Андреем Дорошкевичем). Сегодня считается, что ее масса во Вселенной примерно в пять раз превосходит массу видимого вещества. Несмотря на это, попытки напрямую зарегистрировать частицы темной материи пока не увенчались успехом.

Американская исследовательская группа из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли и Калифорнийского университета под руководством Джеффа Дрора (Jeff Dror) представила новый метод поиска гипотетических частиц. Авторы сосредоточились на реакциях поглощения — в отличие от рассеяния, при котором происходит обмен только кинетической энергией, в таких процессах налетающая частица передает мишени (как правило, атомному ядру) еще и свою энергию покоя. Реакцию можно обнаружить по ее продуктам — частицам, рождающимся в результате столкновения. Их характеристики измеряют при помощи специальных детекторов, после чего, используя законы сохранения, определяют тип налетающей частицы и ее свойства.

Ученые исследовали два вида реакций: в одном случае продуктом становится нейтрино, а в другом — бета-частица (то есть электрон или позитрон). При этом для рассмотренных мишеней оба процесса не могут происходить самопроизвольно: для их протекания нужна дополнительная энергия. Последнее позволяет исключить ошибочные сигналы: в таких условиях регистрация нейтрино или бета-частицы на детекторе гарантирует, что в мишень что-то врезалось, и необходимо лишь установить тип налетающей частицы.

По результатам исследования авторы установили, что в реакциях с испусканием нейтрино, которые протекают при участии частиц темной материи, ядро-мишень приобретает строго определенные значения энергии. Это позволит в будущем легко отсеивать лишние данные — то есть снизить фон и улучшить чувствительность экспериментов. Для процессов с участием бета-частиц физики предсказали целую цепочку последующих реакций, которой сопутствует рождение ряда известных частиц. Благодаря этому обнаружить поглощение также становится значительно проще. Кроме того, ученые заключили, что для поиска темной материи по новой методике можно использовать уже существующие детекторы. Их чувствительность позволяет если не обнаружить гипотетические частицы, то, по меньшей мере, получить важные ограничения на их параметры, которые помогут в дальнейших экспериментах. Таким образом, в этой области можно добиться значительного прогресса, затратив минимальные усилия на приспособление установок.

Ранее мы писали о том, как гипотеза сверхтекучей темной материи не выдержала экспериментальной проверки и о том, как собрать детектор элементарных частиц своими руками.

Николай Мартыненко

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.