Успехи экспериментов DAMA по поиску темной материи сложно повторить снова, - эксперты

11:58 15 Ноябрь Киев, Украина

Эксперимент по поиску темной материи COSINE-100 в южнокорейской лаборатории не смог повторить успех аналогичного эксперимента DAMA. Аналогично итальянским коллегам они использовали йодид натрия, чтобы зафиксировать слабовзаимодействующие массивные частицы, вимпы, но так и не увидели ни одного сигнала за 1 год и 7 месяцев года работы. Эксперимент продолжает работу, чтобы проверить увиденные DAMA годовые модуляции сигнала, сообщают исследователи в Science Advances.

Зачем ищут темную материю?

Астрономические наблюдения продолжают указывать на то, что Вселенная состоит в основном из так называемой темной материи. Темной в значении неизвестной, ведь она не фиксируется ни в радиоволнах, ни в оптическом, рентгеновском, ни в каком-либо другом излучении, но поведение «видимой» части Вселенной — планет, звезд, галактик — указывает, что на нее гравитационно влияет что-то еще. И на роль частиц, из которых состоит черная материя, физики предлагают несколько кандидатов, поисками которых занимается большое количество лабораторий.

Одними из таких частиц являются слабовзаимодействующие массивные частицы – вимпы. Вымпы теоретически в десятки или даже в сотню раз больше массы протона (массивные) и почти не проявляют себя при взаимодействии с обычным веществом (слабовзаимодействующие). Больше о кандидатах на фундаментальные частицы-носители темной материи nauka.ua рассказывала в карточках «Что такое темная материя и темная энергия?».

Теория предполагает, что вымпы образуют огромное облако вокруг каждой галактики, в том числе и вокруг нашего Млечного Пути, а потому мы обязательно проходим сквозь это облако и способны ощутить встречный «вимповый ветер». Однако, несмотря на согласованные усилия многих коллабораций, до сих пор никаких убедительных свидетельств вымпов найти не удалось . Кроме команды итальянского эксперимента DAMA.

Что увидели итальянцы?

Исследователи DAMA используют другой подход, чтобы попытаться выявить темную материю, чем большинство экспериментов. В то время как другие настройки ищут частицы темной материи либо в столкновениях, либо в изменениях фонового сигнала, DAMA искала годовые изменения сигналов своих детекторов в подземной лаборатории Гран-Сассо в Италии. По их мнению, годовые изменения сигнала будут свидетельствовать о встречах с «вимповым ветром», когда Земля займет лучшую для этого позицию, а именно в июне. То есть если июньских сигналов будет больше зафиксирующих в декабре, это будет свидетельством вымпов.

Следовательно, более 20 лет с 1990-х они приносили и положительные результаты, повышая статистическую точность и улучшая чувствительность детекторов. Новый более крупный детектор DAMA/LIBRA продолжил фиксировать сигналы, а к 2018 году ученые достигли статистической точности своего результата до 13 сигмы. Впрочем, как и огромное количество критики со стороны других коллабораций.

Что не так с их экспериментом?

Физики не сомневаются в том, что в итальянской пещере действительно фиксируют сигналы, однако они считают, что их могут неправильно интерпретировать. Дело в том, что с начала работы DAMA публиковали лишь окончательные годовые результаты, не предоставляя никаких промежуточных, в том числе и об условиях эксперимента. Поэтому некоторые ученые считают , что их успех может быть погрешностью из-за влияния гелия на фотоумножитель.

Другие эксперименты, которые ищут вымпы, такие как XENON1T в Италии и XMASS-I в Японии, так и не смогли их найти, хотя показывали хорошую точность. И даже полная копия итальянского сенсора — опыт в подземной лаборатории Канфранк глубоко под Пиренеями на севере Испании с сенсором ANAIS, за три года так и не воспроизвел результаты DAMA/LIBRA. ANAIS также использовал детектор на основе йодида натрия, но при этом использовал другой подход к анализу данных. Детальнее о нем мы рассказывали в новости о результатах его работы.

Еще одним экспериментом, который пытается полностью воспроизвести условия DAMA/LIBRA, является южнокорейский COSINE-100 в подземной лаборатории Яньян на глубине 700 метров, результаты работы которого за 1,7 года и опубликовали.

Что нашел опыт?

Эксперимент состоит из восьми низкофоновых кристаллов йодида натрия легированных таллием. Каждый кристалл связан с двумя фотоэлектронными умножителями. Вся мишень находится в 2200 литрах жидкого сцинтиллятора, который поможет увидеть сигналы, возникающие внутри или снаружи кристаллов. Фоновое загрязнение делится на четыре категории: внутреннее загрязнение, поверхностное загрязнение, внешние источники и космические лучи. Жидкий сцинтиллятор окружен медью, свинцом и пластиковыми сцинтилляторами для уменьшения фонового вклада от внешнего излучения, а также маркировки и подавления событий, связанных с мюонами космических лучей.

Ученые представили результаты за период с 21 октября 2016 по 18 июля 2018 года. Эффективность отбора событий оценивается с помощью набора калибровочных данных. События классифицируются в соответствии с их энергией: от 1 до 70 килоэлектронвольт — низкоэнергетические и от 70 до 3000 килоэлектронвольт — высокоэнергетические. Для интерпретации данных DAMA/LIBRA и сравнения с данными COSINE-100 ученые используют наиболее подходящие значения эффективного взаимодействия вимпов с нейтронами и протонами.

Улучшенные требования к отбору событий, точнее понимание фона детектора и использование большего набора данных, значительно повысивших чувствительность COSINE-100, показали, что не было сигнала, соответствующего взаимодействию с темной материей. Результаты этого анализа с накопленными за 1,7 года данными накладывают новые ограничения на поиск темной материи, однако для однозначного вывода ученые планируют продолжить эксперимент, чтобы сравнить данные годовой модуляции DAMA/LIBRA с данными COSINE-100 за несколько лет.
 
Фото: COSINE-100 collaboration/>