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

cosine.yale.edu
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.
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