ANAIS не воспроизвел результаты DAMA/LIBRA по поиску темной материи

Julio Amaré et al. / arxiv.org, 2021
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.
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.
Чтобы окончательно подтвердить или опровергнуть результаты DAMA/LIBRA, был запущен эксперимент ANAIS, который фактически стал репликой своего предшественника: в качестве сцинтиллятора также использовался иодида 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.