ANAIS не воспроизвел результаты DAMA/LIBRA по поиску темной материи

Эксперименту ANAIS по поиску темной материи после трех лет сбора данных не удалось воспроизвести результаты эксперимента DAMA/LIBRA, который c высокой точностью находит следы существования темных частиц. Оба эксперимента основаны на идее, согласно которой увидеть неподвижные скопления темной материи в галактическом гало можно по колебаниям темпов регистрации частиц в сцинтилляционных детекторах с периодом в год из-за изменения скорости движения Земли за счет ее вращения вокруг Cолнца. Первая версия такого эксперимента, которая впоследствии превратилась в DAMA/LIBRA, увидела как раз такие колебания еще в 1998 году, но эти и дальнейшие наблюдения не подтвердились ни на одном из других экспериментов по поиску темной материи, а к методам анализа данных DAMA/LIBRA есть много претензий. Эксперимент ANAIS с точностью до вещества-сцинтиллятора повторяет своего предшественника и собирает данные с 2017 года, а теперь сообщил об отсутствии колебаний в темпе регистрации частиц в ходе наблюдений за первые три года. Препринт статьи доступен на сайте arxiv.org.

Обновлено: 27 мая 2021 года статью опубликовали в журнале Physical Review D.

Темная материя — это гипотетическая форма материи, которая не участвует в электромагнитном взаимодействии, из-за чего ее крайне сложно зарегистрировать напрямую. При этом у физиков есть множество косвенных доказательств ее существования: от эффектов скрытой массы, которые очень просто объяснить именно с помощью существования во вселенной больших объемов неизлучающего вещества, до особенностей в данных по наблюдению за реликтовым микроволновым излучением. Существует множество теоретических моделей, описывающих характеристики темной материи: согласно им, кандидатами на роль темных частиц могут быть легкие аксионы или стерильные нейтрино, и даже первичные черные дыры. А одним из самых известных претендентов на роль частицы темной материи можно назвать вимп (WIMP) — слабовзаимодействующую частицу с массой на порядок или порядки больше чем у протона.

Несмотря на разнообразие потенциальных темных частиц, пока что физикам не удалось с уверенностью зарегистрировать хотя бы одну из них. Но на фоне всех попыток детектирования темной материи очень выделяется эксперимент DAMA: он в своих разных итерациях уже больше 20 лет публикует результаты, которые сами экспериментаторы интерпретируют как следы регистрации вимпов. Сам DAMA (его первая версия - DAMA/NaI) был создан на основе предположения о том, что в галактических гало должны существовать массивные неподвижные скопления холодной темной материи. Так как Солнечная система движется относительно центра Млечного пути, а Земля вращается вокруг Солнца, реальная скорость движения нашей планеты сквозь пространство периодически меняется (с периодом в год). Это значит, что в подземный детектор темной материи в течение года будет прилетать разное количество темных частиц (если точнее, то детектор будет сталкиваться с меньшим числом покоящихся относительно галактического центра темных частиц). Такое предположение физики высказали еще в 1986 году, и на его основе посчитали, как именно будет меняться темпы регистрации в таком детекторе: их модуляция должна быть синусоидальной, а их максимум должен приходиться на 2 июня.

Таким образом, наблюдение колебаний темпов регистрации частиц с периодом в год говорило бы об обнаружении темной материи. У такого метода есть ряд преимуществ: для его реализации, на первый взгляд, не требуется точного предсказания фона (вклада частиц обычной материи, которые может зарегистрировать детектор), если считать, что этот фон постоянен, ведь колебания темпов регистрации все равно укажут на факт существования вимпов. С другой стороны, в этом случае экспериментаторы должны убедиться в том, что ничто кроме относительной скорости детектора и галактических скоплений темной материи не может повлиять на темпы регистрации. Именно DAMA/NaI стал первым таким экспериментом: сцинтилляционный детектор из кристаллов иодида натрия начал процесс регистрации в 1995 году, а уже в 1998 году эксперимент предоставил первые результаты, в которых была явно видна искомая периодическая зависимость с периодом в год. Затем для проверки полученных в течение 7 лет данных физики увеличили детектор (с 10 до 250 килограмм сцинтиллятора), а название эксперимента сменилось на DAMA/LIBRA, но колебания не пропали. В результате к 2018 году в распоряжении экспериментаторов оказался массив данных за 14 лет наблюдений, в которых со статистической точностью в 13σ наблюдались колебания темпов регистрации частиц в энергетическом диапазоне от 2 до 6 килоэлектронвольт с периодом ровно в год.

Тем не менее, научное сообщество не спешило радоваться открытию темной материи, а результаты DAMA/LIBRA вызвали большой поток критики. Дело в том, что экспериментаторы не публиковали подробный обзор методов, использованных в ходе обработки данных, а в статьи попадали лишь результаты проделанного анализа. Отсутствие достаточной информации о работе эксперимента не позволяло проверить версию о том, что колебания в результатах могли вызвать и иные факторы: к примеру, годовые изменения влажности и температуры. Наконец, результаты DAMA/LIBRA не удалось воспроизвести другим экспериментам с аналогичным методам поиска темной материи: эксперимент CoGeNT сообщил об этом в 2015 году, а коллаборация COSINE-100 обнародовала свои аналогичные результаты в 2018 году. В случае CoGeNT, однако, использовались другие сцинтилляторы и схема детектора, а COSINE-100 на момент публикации накопил не слишком большой объем данных, из-за чего нельзя было говорить о полном взаимоисключении данных. Уверенность в ошибке DAMA/LIBRA нарастала и с сообщениями о том, что эксперименты XENON1T и LUX также не нашли следов темных частиц, с помощью которых можно было бы объяснить наблюдаемые периодические колебания темпов регистрации. Кроме того, недавно появилась работа, которая объясняет наблюдения DAMA/LIBRA непостоянством фона: если раз в год вычитать из общего массива данных усредненное за год значение фона, который непрерывно растет или падает (что вполне может быть особенностью установки), то на данные это окажет эффект, схожий с регистрацией темной материи.

Чтобы окончательно подтвердить или опровергнуть результаты DAMA/LIBRA, был запущен эксперимент ANAIS, который фактически стал репликой своего предшественника: в качестве сцинтиллятора также использовался иодид натрия, взаимодействие которого с попадающими в детектор частицами регистрировалось с помощью сверхчувствительных фотоумножителей. ANAIS в своем конечном виде приступил к сбору данных в 2017 году, а теперь Хулио Амаре (Julio Amaré) вместе с другими участниками эксперимента представил результаты анализа данных, полученных за первые три года работы детектора. В представленной работе ученые утверждают, что не нашли следов годовых колебаний темпов регистрации частиц со статистической точностью в 3,3σ в энергетическом диапазоне от 1 до 6 килоэлектронвольт и 2,6σ для энергий между 2 и 6 килоэлектронвольтами. Накопленные данные противоречат результатам DAMA со статистической точностью 2,5σ и 2,7σ для соответствующих энергетических диапазонов.

Несмотря на схожесть с DAMA/LIBRA в используемой массе сцинтиллятора (112 килограмм у ANAIS против 250 килограмм у DAMA/LIBRA) и в принципе изоляции детектора от космических лучей (оба эксперимента расположены под землей, ANAIS — на глубине 800 метров, DAMA/LIBRA — на глубине 1400 метров), у ANAIS есть ряд преимуществ. Так, сбор данных эксперимент проводил в течение 94 процентов времени после начала работы, и предоставляет информацию о всех зарегистрированных событиях. ANAIS обладает стабильной системой сбора данных, эффективность и достоверность которой в ходе эксперимента проверялась каждые две недели с помощью калибровки внешним источником на кадмии-109. Каждый модуль из иодида натрия (которых в эксперименте 9 — каждый по 12,5 килограмм в медной оболочке) оборудованы сразу двумя фотоумножителями, что позволяет увеличить эффективность сбора фотонов, возникающих при взаимодействии частиц с сцинтиллятором, а также с большей точностью отбирать фоновые события и определять энергию провзаимодействовавших частиц. Наконец, сами сцинтилляционные модули изолированы от внешнего мира и фоновой радиации с помощью многослойной оболочки: в нее входят пластины свинца толщиной 30 сантиметров, защита от радона (через которую прокачивается азот, очищенный от этого природного радиоактивного изотопа), защита от нейтронов толщиной 40 сантиметров из блоков с водой и полиэтиленовых пластин и активной системой отбора фоновых событий, которая состоит из сцинтилляционных 16 пластин.

Все эти особенности позволили участникам ANAIS с особой точностью проанализировать накопленные данные и учесть при этом фон, который, как оказалось, действительно может быть не постоянен во времени, из-за чего его нужно вычитать из общего массива данных не как среднее значение за год (что делал DAMA/LIBRA), а непрерывно на протяжении всего сбора данных. Такой непостоянный вклад, как выяснили ученые, дают радиоактивные изотопы в составе сцинтилляционного вещества, которые попали туда в ходе производства и калибровки. Физикам удалось отследить этот вклад, который оказался в хорошем соответствии с результатами моделирования, и исключить его из данных. В результате ученым не удалось найти следов периодических колебаний темпов регистрации даже при условии, что частота и фаза колебаний в ходе анализа не фиксировалась. Кроме того, полученные данные о работе детектора физики использовали в планировании дальнейших двух лет измерений с помощью ANAIS, и ожидают превысить точность расхождения с DAMA в 3σ до осени 2022 года, а при продолжении измерений еще в течение года — в 4σ.

Но не только DAMA/LIBRA за всю историю поиска темной материи находила следы существования аномальных частиц: недавно детектор XENON1T зарегистрировал избыточные события, что может свидетельствовать о существовании аксионов. А больше узнать о теоретических моделях, с помощью которых физики пытаются предсказать свойства темной материи, можно в нашем тесте «Какая ты темная материя?».