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.
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
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
Новый эксперимент в восемь раз превосходит по точности предыдущие измерения
Американские физики уточнили величину сверхтонкого расщепления уровня 2S атома водорода с помощью радиочастотного метода Рамзея. Вычисленная в результате этого комбинация расщеплений 1S и 2S уровней оказалась в хорошем согласии с теоретическими оценками, выполненными в рамках квантовой электродинамики. Исследование опубликовано в Physical Review Letters. Простейший атом, состоящий лишь из протона и электрона — атом водорода — наилучшим образом подходит для точных проверок теории электромагнитного взаимодействия. Для этого физики измеряют интервалы между энергетическими уровнями или иные свойства атома, а затем пытаются воспроизвести их с помощью вычислений. На заре квантовой физики для предсказания спектра атома водорода было достаточно нерелятивистской квантовой механики. Затем ученые научились различать более тонкие эффекты: релятивизм, спин-орбитальное взаимодействие и, наконец, влияние квантовых флуктуаций, известное как лэмбовский сдвиг. Дальнейшее уточнение потребовало учета взаимодействия электронных оболочек со спином ядра (сверхтонкая структура), а также поправок на конечный размер ядра. Последнее, с одной стороны, позволило определить размер протона спектроскопическими методами, но, с другой, стало препятствием к точным тестам квантовой электродинамики, поскольку радиус протона сам по себе стал объектом большой дискуссии. Подробнее об этой проблеме мы рассказывали в материале «Щель в доспехах». Обойти ее могло бы измерение определенных комбинаций частот, в которых вклады от размера ядра уничтожаются. Пример такой комбинации — разность между восьмикратным значением сверхтонкого расщепления уровня 2S1/2 и однократным уровня 1S1/2 атома водорода. Вычислению этой величины посвящена работа Райана Буллиса (Ryan Bullis) и его коллег из университета Колорадо. При измерении указанной комбинации главным источником ошибок остается неопределенность сверхтонкой структуры уровня 2S. Фактически, измерение этого расщепления и было основной задачей физиков. Для этого они использовали метод Рамзея, выполненный в радичастотном диапазоне. Суть эксперимента заключалась в пропускании пучка атомов водорода, предварительно возбужденных двухфотонным поглощением в состояние 2S1/2 (F=0), через сложную катушку, создающую переменное поле с частотой, близкой к 177 мегагерцам. Такое радиочастотное поле стимулирует переходы в сверхтонкий подуровень с F=1 — физики считали атомы в таком состоянии на выходе из катушки с помощью каналового электронного умножителя. Чтобы оставшиеся на F=0 подуровне атомы не влияли на сигнал, авторы переводили их на 2P уровень с помощью дополнительного переменного электрического поля с частотой 910 мегагерц, создаваемого конденсатором. В ходе эксперимента физики слегка меняли частоту колебания магнитного поля и следили за поведением сигнала — количества атомов на F=1 подуровне. Нужный интервал проявил себя в виде резонанса на определенной частоте. После поправок на систематические эффекты значение этой частоты оказалось равным 177 556 838,87(85) герца. Этому значению соответствует величина комбинации, равная 48 959,2(6,8) герца, что хорошо согласуется с теорией — 48 954,1(2,3) герца. Новое значение оказалось в восемь раз точнее, чем предыдущий эксперимент, проведенный оптическими методами, и в 60 раз точнее, чем прошлое измерение с помощью радиочастотных полей. В перспективе авторы планируют еще больше увеличить точность измерения, сделав катушку больше. Не так давно мы рассказывали про измерение сверхтонкого расщепления 2S уровня в мюонии — связанной системе антимюона и электрона.
