Эксперимент COSINE-100 не увидел обнаруженной DAMA/LIBRE темной материи

Анализ данных эксперимента COSINE-100 не подтвердил обнаружение частиц темной материи, о котором ранее сообщала коллаборация DAMA/LIBRA, работавшая с аналогичным детектором. Оба эксперимента пытались зарегистрировать сезонные колебания темпов регистрации частиц в детекторе, вызванные изменением скорости движения Земли относительно гало темной материи при ее вращении вокруг Солнца. Таким образом, причина сезонных колебаний числа событий в детекторе DAMA/LIBRA остается неизвестной. Препринт статьи выложен на сайт arXiv.org.

На существование темной материи указывают многочисленные астрономические наблюдения, но из чего она состоит — до сих пор точно неизвестно. Основным кандидатом на роль частиц темной материи считаются вимпы (WIMP, weakly interacting massive particle) — слабовзаимодействующие частицы с массой, существенно превышающей массу протона. Ученым долгое время не удавалось зарегистрировать эти частицы в лабораторных экспериментах. Однако в 1998 году итальянская коллаборация DAMA опубликовала первые результаты анализа данных, в которых был найден сигнал вимпов. С тех пор коллаборация, которая сейчас называется DAMA/LIBRA, выпустила множество статей, в которых сообщала о подтверждении своих выводов со все большей и большей статистической значимостью. Проблема этих результатов в том, что все остальные эксперименты по поиску темной материи не подтверждают выводов DAMA/LIBRA и никаких частиц темной материи они не видят (ранее мы уже писали, например, об экспериментах XENON и ANAIS).

Возможная, хотя и крайне маловероятная, причина расхождения результатов наблюдений — в деталях устройства детекторов. Общий принцип работы детекторов темной материи следующий. Частицы гипотетической темной материи взаимодействуют с веществом рабочего тела, а продукты взаимодействия вызывают вспышки в фотодетекторах. Рабочее тело погружено в сцинтиллятор, который используется для регистрации фоновых событий, которые затем должны быть вычтены из сигнала. Рабочее тело, сцинтиллятор и фотодетекторы изолируется от внешней среды с помощью многослойных экранов, чтобы минимизировать число ложных срабатываний детектора. Кроме того, детектор помещается на большую глубину под землю, где космический фон меньше. Разные детекторы темной материи отличаются размерами, рабочим телом и деталями регистрации событий.

Чтобы выяснить причину расхождения результатов DAMA/LIBRA с другими экспериментами, в Южной Корее построили детектор COSINE-100, который похож на DAMA/LIBRA. Оба имеют одно и то же рабочее тело — иодид натрия, но немного различающейся массы — 106 килограмм у COSINE-100 против 250 килограмм у DAMA/LIBRA. Глубина, на которой расположены детекторы, тоже различается не существенно: 700 метров у COSINE-100 и 1400 у DAMA/LIBRA. Эксперименты используют один и тот же принцип регистрации частиц темной материи — измерение сезонных колебаний сигнала. Ожидаемые колебания возникают из-за того, что Солнечная система движется относительно гипотетического гало темной материи, а потому в зависимости от времени года, скорость орбитального движения Земли то складывается, то вычитается из скорости движения Солнца. От относительной скорости частиц сцинтиллятора и темной материи зависит сечение их взаимодействия, что влияет на число событий взаимодействия.

Анализ первых двух месяцев работы детектора COSINE-100 не подтвердил результаты DAMA/LIBRA, если взаимодействие темной материи с веществом не зависело от спина и использовалась стандартная модель гало. Оставались альтернативные варианты, основанные на более сложных моделях темной материи и распределения ее плотности в галактике. Однако анализ данных, которые набирались уже в течение полутора лет работы детектора, также не обнаружил частиц темной материи. Теперь же ученые представили результаты анализа тех же данных, но с улучшенным алгоритмом отбора событий, который увеличил чувствительность детектора примерно на порядок. Главной причиной невысокой точности предыдущего анализа оказался очень высокий уровень шума, который давали три из восьми кристаллов иодида натрия, составляющих рабочее тело детектора. При проведении последнего анализа события, произошедшие в них, были исключены.

Эксперимент COSINE-100 не обнаружил никаких частиц темной материи для почти любой области на зависимости их массы от сечения взаимодействия с протонами. Не исключенной остается лишь небольшая область масс и сечений, но она не пересекается с результатом DAMA/LIBRA. Противоречие составляет более трех стандартных отклонений для всех моделей взаимодействия темной материи с веществом. Однако, по словам исследователей, для окончательного опровержения результатов коллаборации DAMA/LIBRA необходимо еще несколько лет набора данных детектором COSINE-100.

Ранее мы писали о том, как ученые предложили использовать в качестве детекторов темной материи экзопланеты, Юпитер и нейтронные звезды.

Андрей Фельдман