Новый детектор не может подтвердить потенциальные доказательства темной материи
Почти 20 лет назад эксперимент DAMA / LIBRA в итальянской Национальной лаборатории Gran Sasso — LNGS начал публиковать данные, показывающие, что он обнаружил модуляцию сигнала, вызванную взаимодействием с гало темной материи Млечного Пути.
Считается, что темная материя составляет примерно 27 процентов известной вселенной, а обычная материя — только 4 процента. Считается, что оставшиеся 69 процентов состоят из темной энергии . Поскольку темная материя слабо взаимодействует с нормальной материей, ее присутствие до сих пор определялось только гравитационным воздействием на видимые тела, такие как звезды, галактики и скопления галактик.
Согласно наиболее широко принятой модели, объединенное движение Земли, Солнца и самой Галактики приводит к появлению ветра темной материи для наблюдателя на Земле, в частности, ветра слабо взаимодействующих массивных частиц или WIMP, гипотетических частиц, которые Считается, что составляют темную материю.
Во время ежегодной орбиты Земли вокруг Солнца сигналы от взаимодействия детектора с WIMP возрастают, когда планета движется в направлении, противоположном ветру, и уменьшаются, когда они движутся в одном и том же направлении. Колебание имеет форму косинуса.
Персонал DAMA / LIBRA заявляет, что он обнаружил сигналы с частотой, которая меняется в зависимости от косинусной волны в течение года, и что они соответствуют сигнатуре темной материи. Проблема состоит в том, что никакая такая подпись не была подтверждена никакими другими экспериментами, так как это было сначала объявлено. Следует подчеркнуть, что в других экспериментах используются разные материалы и аналитические методы.
Чтобы проверить несоответствие между данными DAMA / LIBRA и данными других экспериментов и найти надежные доказательства темной материи, COSINE-100 был построен в 700 метрах под землей в Подземной лаборатории Янъян — Y2L в Южной Корее.
Статья, представляющая результаты первых 59,5 дней данных COSINE-100, была опубликована в декабре 2018 года в журнале Nature .
Нельсон Карлин Фильо, профессор Физического института Университета Сан-Паулу (IF-USP) и два супервизируемых, составляют участие Бразилии в международном сотрудничестве COSINE-100. «Результаты первых 59,5 дней COSINE-100 не подтвердили данные DAMA / LIBRA. Полученные результаты не соответствуют подписи WIMP», — сказал он. Карлин подчеркнул, что этот отрицательный результат особенно важен, потому что как DAMA / LIBRA, так и COSINE-100 используют детекторы, изготовленные из кристаллов йодида натрия (Nal). «Это первая опубликованная находка для детектора, содержащего этот материал с достаточным размером и чувствительностью, чтобы исследовать область сигнала DAMA / LIBRA», — сказал он.
«Мы не говорим, что исследователи из DAMA / LIBRA ошиблись. Возможно, они зафиксировали периодическую модуляцию в реальных сигналах. Однако, если модель темной материи не будет значительно изменена, сигналы вряд ли будут приписаны взаимодействиям с WIMP. В любом случае, наша работа только начинается. Потребуются данные за несколько лет, прежде чем годовая модуляция, заявленная DAMA / LIBRA, может быть полностью подтверждена или опровергнута ».
Детектор COSINE-100 состоит из восьми кристаллов йодида натрия, легированных таллием, общей массой 106 кг. Каждый кристалл соединен с двумя фотоумножителями для измерения количества энергии, выделяемой в кристалле. Весь массив погружен в 2200 литров жидкого сцинтиллятора и окружен медными, свинцовыми и пластиковыми сцинтилляционными панелями.
Смысл всего этого экранирования — а также решение установить детектор на глубине 700 метров — состоит в том, чтобы уменьшить возмущения, вызванные космическими лучами (мюонами), космическим фоновым излучением (фотоны, оставшиеся от первичной вселенной, обнаруженные в микроволновом диапазоне), и частицы, испускаемые материалами, из которых сделан детектор.
«Вероятность наблюдения взаимодействий между частицами темной материи и материалом детектора ничтожна. Помимо экранирования, важно проанализировать форму сигналов, чтобы исключить фоновые воздействия», — сказал Карлин.
На основе очень сложной статистической обработки, использующей стандартную модель гало темной материи, с помощью моделирования Монте-Карло и других ресурсов, COSINE-100 определил кривую, которая считается «пределом исключения» для взаимодействий между WIMP и ядрами в материале детектора.
Этот предел подтвердил и уточнил пределы, установленные предыдущими экспериментами. Кривая была построена с использованием двумерной декартовой системы координат. Сечения рассеяния WIMP-нуклонов показаны на оси Y, упрощенно представляя вероятность взаимодействий, в то время как масса WIMP показана на оси X.
Любое событие, координаты которого могут быть нанесены ниже предела исключения, является кандидатом на взаимодействие WIMP-нуклон. Любое событие, расположенное над ним, не соответствует необходимым условиям взаимодействия в соответствии с моделью.
«Сигналы DAMA / LIBRA превышают предел исключения. Обратите внимание, что в дополнение к использованию детекторов, изготовленных из того же материала, что и DAMA / LIBRA [кристаллы йодида натрия], COSINE-100 также использовал аналогичные методы выбора событий. Это сводило к минимуму расхождения в результатах из-за к различиям в экспериментах. Мы не обнаружили темную материю и обнаружили, что измерения DAMA / LIBRA не соответствуют стандартной модели для гало темной материи » , — сказал Карлин.
Теории о темной материи
В настоящее время в научном сообществе существует широкий консенсус в отношении существования темной материи. Первое свидетельство было найдено в 1933 году в исследованиях скоростей вращения галактик швейцарским астрономом Фрицем Цвикки (1898-1974).
Цвики понял, что скорости вращения галактик были выше, чем они должны были быть в соответствии с наблюдаемой светящейся массой, и предположил, что гравитационный вклад другого вида материи, который он назвал «dunkle materie» («темная материя» на немецком языке), должен влиять эти скорости.
В 1970-х годах американский астроном Вера Рубин (1928-2016) подтвердила гипотезу Цвикки в систематическом исследовании скоростей вращения галактик. Строгие расчеты Рубина, подтвержденные последующими исследованиями, показали, что соответствующие галактики должны содержать как минимум в 5-10 раз больше темной материи, чем нормальной материи.
Сегодня, исходя из скоростей вращения галактики и других данных, таких как гравитационное линзирование, впервые предложенное Эйнштейном, и фонового микроволнового излучения, принятые пропорции для состава Вселенной составляют примерно 4 процента нормальной материи, 27 процентов темной материи и 69 процентов темной энергия.
Если существование темной материи широко распространено; смысл теперь состоит в том, чтобы определить, из чего это сделано. Модель, основанная на WIMP, по-прежнему является наиболее широко принятой моделью. Считается, что такие частицы взаимодействуют с нормальным веществом только благодаря гравитации и слабой ядерной силе. Вероятно, именно поэтому они не были обнаружены последовательно. Неспособность обнаружить WIMP заставила ученых предложить альтернативы, такие как аксионы и темные фотоны.
«Ничто не мешает темной материи состоять из нескольких разных элементов», — сказал Карлин. «Предстоит проделать большую работу. В нашем случае COSINE-100 все еще делает свои первые шаги. Следующий, очень важный, шаг — попытаться воспроизвести годовую модуляцию или доказать, что ее невозможно воспроизвести. Сейчас это на самом деле продолжается. Мы также готовим второй этап эксперимента COSINE-200 с 200 кг кристаллов, который будет установлен на другом объекте в Южной Корее ».
