Австралийский физик уточнил понятие нейтринного пола в физике темной материи

Австралийский физик предложил новое определение нейтринного пола — минимального сигнала частиц темной материи в детекторе, который еще можно отличить от очень похожего на него сигнала фоновых нейтрино. Новое определение нейтринного пола в некоторых областях масс вимпов отличается от использовавшегося ранее примерно на порядок. Исследование опубликовано в Physical Review Letters.

Вселенная состоит из темной энергии, на которую приходится примерно 72 процента в энергетическом балансе Вселенной, и из вещества. Многие астрономические наблюдения свидетельствуют о том, что около 85 процентов массы всего вещества во Вселенной сосредоточено в невидимой темной материи. К этим наблюдательным данным относятся распределение скоростей звезд в галактиках и галактик в скоплениях, спектр флуктуаций температуры космического микроволнового излучения и темп формирования неоднородностей при эволюции Вселенной. Ученые рассматривают много кандидатов на роль частиц, составляющих эту материю, среди которых и первичные черные дыры с массами до сотен миллионов масс Солнца, и сверхлегкие частицы, типа дилатона и аксиона, чья масса в некоторых моделях меньше, чем 10^-20 электронвольт.

Самым популярным кандидатом, однако, считаются вимпы (WIMP, Weakly Interacting Massive Particle) которые участвуют только в гравитационном и слабом взаимодействиях с частицами Стандартной модели. Существует много лабораторных экспериментов по поиску этих частиц, ни в одном из которых пока не удалось обнаружить темную материю, хотя они и помогли установить очень строгие ограничения на массу вимпов и интенсивность их взаимодействия с частицами Стандартной модели.

Большой проблемой лабораторных экспериментов по поиску темной материи является то, что ожидаемый сигнал от взаимодействия ее частиц с рабочим телом детектора очень похож на сигнал от нейтрино — оба типа частиц упруго рассеиваются на ядрах. Вероятность регистрации нейтрино детектором очень мала, так как они очень слабо взаимодействуют с другими частицами, но последние эксперименты ограничили вероятность взаимодействия вимпов с частицами рабочего тела детектора так сильно, что она уже близка к вероятности регистрации нейтрино. Минимальный сигнал от частиц темной материи, который еще можно отличить от нейтринного фона, физики назвали нейтринным полом.

Использовавшееся ранее определение нейтринного пола зависело от произвольно устанавливаемого порога энергий регистрируемых частиц и абсолютного числа зарегистрированных нейтрино, а также не учитывало ожидаемого увеличение точности измерения потока фоновых нейтрино в будущих экспериментах, и потому Киаран О'Хара (Ciaran O’Hare) из Сиднейского университета предложил новое, более точное определение нейтринного пола, лишенное этих недостатков.

Автор дал новое количественное определение нейтринного пола следующим образом. Он ввел величину, которую назвал индексом, выражающую скорость изменения порога открытия частицы (в стандартных отклонениях) в зависимости от числа зарегистрированных фоновых нейтрино, и назвал нейтринным полом кривую в плоскости масса—сечение взаимодействия вимпов, на которой индекс принимает определенное значение (равное двум). Определенный таким образом нейтринный пол соответствует силе сигнала частиц темной материи, который уже нельзя обнаружить из-за систематической погрешности в измерении нейтринного фона. Новый нейтринный пол оказался существенно выше использовавшегося ранее (1, 2) для массы гипотетических частиц темной материи меньше 1 и больше 10 гигаэлектронвольт, и ниже в районе 6 гигаэлектронвольт.

Ранее мы рассказывали, как физики установили строгие ограничения на взаимодействие легких частиц темной материи с веществом.

Андрей Фельдман