Поиск частиц темной материи: общая перспектива
Поиск частиц темной материи — это одна из критически важных задач фундаментальной физики, задача, в которой схлестнулись два направления современной науки — физика микромира и космология. Согласно астрономическим наблюдениям, во Вселенной помимо звезд, планет, и газопылевых облаков есть много темной материи — вещества, которое мы не видим напрямую ни в каком диапазоне электромагнитного спектра, но которое «кучкуется» в галактиках и их скоплениях. Эта материя должна состоять из частиц нового сорта, которым нет места в Стандартной модели элементарных частиц. Но что это за частицы, каковы их массы, из какой теории Новой физики они берутся — до сих пор неизвестно. Мы знаем лишь, что этих частиц в космосе очень много и что солнечная система, в своем полете по галактике, чувствует встречный «темный ветер», который проходит сквозь, в том числе, и Землю. Поиск частиц темной материи — это попытка уловить хоть какие-то события рассеяния этих частиц на атомах подземных детекторов.
Перспективы обнаружения частиц темной материи критически зависят от двух параметров: их массы и сечения их рассеяния на атомах обычного вещества. Оба параметра нам неизвестны и могут лежать в очень широких пределах. Тот факт, что физики пока не поймали частицы темной материи, позволяет лишь установить ограничение сверху на сечение рассеяния для разных масс, но не может полностью исключить ни один диапазон их значений.
В принципе, некоторая помощь может прийти со стороны теории. Теоретики уже разработали сотни моделей Новой физики, в которых находится место и частицам-кандидатам в темную материю. Самые популярные — это так называемые вимпы, гипотетические слабо взаимодействующие тяжелые частицы с массой порядка сотен ГэВ или ТэВ. Однако поскольку ни одна из теорий еще не получила четкого экспериментального подтверждения, их предсказания остаются пока эфемерными.
В результате уже которое десятилетие между теоретиками и экспериментаторами идет своеобразная «игра в прятки». Теоретики предлагают очередные модели Новой физики, в которых предсказывается, что детекторы вот-вот обнаружат темную материю. Экспериментаторы делают очередное героическое усилие, в разы повышают чувствительность своих детекторов — и ничего не находят. Теоретики, приняв во внимание эти данные и результаты, поступающие с коллайдеров, выдвигают улучшенные модели, в которых снова предсказывается возможность частиц темной материи на пределе чувствительности детекторов. Экспериментаторы совершают очередной рывок — но снова ничего не обнаруживают.
Впрочем, в последнее десятилетие или около того в этой области наблюдалось некоторое воодушевление. Чувствительность детекторов подобралась к области на плоскости параметров, на которую указывало много теоретических конструкций, включая разные версии суперсимметричных моделей — а они у теоретиков всегда в почете. Это область масс в несколько сот ГэВ и сечений рассеяния порядка 1 зептобарна (1 зб = 10−45 см2), см. рис. 2. Новые частицы таких масс как раз ожидались в преддверии запуска Большого адронного коллайдера и, по счастливому совпадению, именно к этому диапазону наиболее чувствительны детекторы. Поэтому физики надеялись, что еще один рывок экспериментальных технологий позволит наконец-то добраться до заветных неуловимых частиц.
Последние три года
Чтобы повысить шансы на поимку частиц темной материи, надо взять детектор побольше, поместить его в условия, где нет посторонних сигналов, и долго сидеть и ждать. Поэтому две ключевые характеристики детекторов темной материи — это полная экспозиция (то есть масса чувствительного вещества, помноженная на время; обычно измеряется в кг·днях) и ожидаемый уровень ложноположительных срабатываний (он опирается на экранировку космических лучей, использование сверхрадиочистых материалов, и надежные алгоритмы разделения фоновых и сигнальных событий). Если десятилетие назад типичные массы составляли килограммы, а темп фоновых процессов оставался довольно большим, то сейчас детекторы работают уже с сотнями кг чувствительного вещества, а количество ложноположительных срабатываний не превышает нескольких в год, а иногда даже опускается до нуля.
За последнее время «вести с фронтов» регулярно появлялись в научно-популярных новостях (см. краткую справку). Из последних обновлений самым существенным было сообщение о первых результатах эксперимента LUX, самого чувствительного из детекторов темной материи с массой до тонны (Эксперимент LUX пока не обнаружил частицы темной материи, «Элементы», 31.10.2013). Эта установка была запущена в середине 2013 года, и за первый сеанс работы чистое наблюдательное время составило 85 дней. Масса рабочего вещества в центральной, самой надежной для анализа области детектора (fiducial volume) составила 118 кг, что дало полную экспозицию 10 тысяч кг·дней. В конце октября, обработав данные этого сеанса работы, физики выдали результат: частиц темной материи по-прежнему не видно, а новое ограничение сверху на сечение взаимодействия по сравнению с предыдущим рекордсменом, экспериментом XENON100, было улучшено в два и более раз.
Новые результаты
С технической точки зрения, первые результаты LUX продемонстрировали прекрасную работоспособность установки и алгоритмов анализа данных, поэтому оставалось только запастись терпением и продолжать набор данных. Новый сеанс LUX стартовал 11 сентября 2014 года и завершился уже в этом году, 3 мая. Чистое наблюдательное время за этот период составило 332 дня, поскольку время от времени наблюдения перемежались регулярными сеансами калибровки детектора. Объем надежной области детектора был выбран чуть поменьше, что дало массу примерно 100 кг, и полная экспозиция за весь сеанс наблюдений составила 33,5 тысяч кг·дней. Тем не менее, это втрое превысило экспозицию первого сеанса.
Параллельно с этим продолжали строиться, развиваться, и постепенно выходить из тени LUX другие детекторы частиц темной материи. Так, китайский детектор PandaX, также использующий в качестве чувствительного вещества жидкий ксенон, провел в 2014 году первый скромный сеанс работы и установил ограничение сверху, которое тогда еще на порядок уступало результатам LUX. Однако в прошлом году физики существенно нарастили объемы установки, резко снизили фон, и с марта по июнь 2016 года провели новый сеанс набора данных (PandaX-II, Run 9). Благодаря большей, чем у LUX, массе рабочего вещества (полная масса — полтонны, надежная — 300 кг), полная экспозиция PandaX-II за такой короткий период сравнялась с LUX и составила 33,2 тысячи кг·дней.
На конференции Identification of Dark Matter, прошедшей с 18 по 22 июля в Шеффилде, Великобритания, оба коллектива представили предварительные данные со своих последних сеансов работы. Оба детектора зарегистрировали несколько сотен (PandaX) и тысяч (LUX) событий-кандидатов, однако все они либо демонстрировали характеристики, типичные для распадов радиоизотопов, либо происходили вблизи границ детектора. Из всех событий PandaX только одно прошло все критерии отбора, — и то, оно было на грани допустимого. В случае LUX после отсева фона вообще не осталось ни одного события в сигнальной области. Таким образом, частицы темной материи не были найдены ни в одном из этих рекордных по чувствительности экспериментов.
Иллюстрация к статье:
Обсуждение