Найти темную материю можно в уже существующих данных экспериментов — физики
Гипотезу о том, что поглощение энергии от удара частицы темной материи об атом обычного вещества может заставить атом выбросить более легкую заряженную частицу, такую как электрон или другого типа, в зависимости от природы частицы темной материи, предъявила группа физиков из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли при министерстве энергетики (Berkeley Lab) и Калифорнийского университета в Беркли 4 мая, в статье научного журнала Physical Review Letters.
В своём исследовании ученые предложили способы улавливания сигналов частиц темной материи, чья энергия поглощается ядрами обычных элементов. Исследование описывает главным образом те случаи, когда электрон или нейтрино выбрасывается при столкновении частиц темной материи с ядром атома.
Ученые предположили, что некоторые существующие проекты по поиску частиц темной материи и фиксации процессов, связанных с нейтрино, могут быть расширены для поиска сигналов поглощения энергий ударов частиц темной материи.
Кроме того, исследователи предположили, что новый анализ ранее собранных данных детекторов частиц, возможно, мог бы обнаружить эти пропущенные сигналы темной материи.
«В этой области у нас была определенная идея о подходящих кандидатах на темную материю, таких как WIMP», — заявил Джефф Дрор, ведущий автор исследования, который является постдоктором в Теоретической группе Лаборатории Беркли и Центра теоретической физики Беркли. (WIMP — Weakly Interacting Massive Particle — гипотетическая слабовзаимодействующая массивная частица).
Итак, физики сейчас рассматривают различные области, где могут скрываться частицы темной материи, и другие близкие по проявлениям частицы, такие как теоретические «стерильные нейтрино», которые также могут быть внесены в семейство частиц, известных как фермионы (представителями класса фермионов являются электроны, протоны и нейтрино).
«С небольшими модификациями парадигмы WIMP легко приспособиться к совершенно другому типу сигнала. Мы можем добиться огромного прогресса с минимальными затратами, если немного отступим от того, как мы представляли себе темную материю», — рассказал Дрор.
Роберт МакГи, аспирант Калифорнийского университета в Беркли, и Джилли Элор из Вашингтонского университета отмечают, что диапазон новых сигналов, на которых они фокусируются, открывает «океан» возможностей частиц темной материи: а именно еще не обнаруженные фермионы с массами, меньшими, чем типичный диапазон, рассматриваемый для WIMP. Например, они могут быть близкими родственниками стерильных нейтрино.
Исследовательская группа рассмотрела процессы поглощения, известные как «нейтральный ток», в которых ядра в материале детектора отскакивают или встряхиваются при столкновении с частицами темной материи, создавая различные энергетические сигнатуры, которые могут быть обнаружены детектором. Также наблюдается эффект, известный как «заряженный ток», при котором может генерироваться множество сигналов, когда частица темной материи ударяется о ядро, вызывая отдачу и выброс электрона.
Поглощение ядром энергии удара частиц темной материи порождает процесс перетекания заряда в веществе, а также может запускать ядерный распад, при котором другие частицы по цепочке выбрасываются из ядер по принципу домино.
Поиск предлагаемых в исследовании сигнатур процессов как с нейтральным током, так и с заряженным током может открыть «порядки величин еще неисследованного пространства параметров», отмечают исследователи. Они фокусируются на энергетических сигналах в МэВ, что означает миллионы электрон-вольт. Электрон-вольт — это мера энергии, которую физики используют для описания массы частиц. Между тем типичные поиски WIMP теперь чувствительны к взаимодействиям частиц с энергиями в диапазоне кэВ, или тысячами электрон-вольт.
Эксперименты, которые имеют большие объемы материала детектора, с высокой чувствительностью и очень низким фоновым «шумом» или нежелательными помехами от других типов сигналов частиц, особенно подходят для этого расширенного поиска различных типов сигналов темной материи, сказал Дрор.
Сегодня LUX-ZEPLIN (LZ) является сверхчувствительным прибором для поиска темной материи, он находится под руководством лаборатории Беркли и располагается на бывшем руднике в Южной Дакоте. Прибор будет использовать около 10 метрических тонн жидкого ксенона в качестве среды обнаружения темной материи.
Исследователи называют подробный список экспериментов-кандидатов по всему миру, которые могут иметь соответствующие данные и возможности поиска целевых сигналов, включая CUORE, LZ-предшественник LUX, PandaX–II, XENON1T, KamLAND-Zen, SuperKamiokande, CDMS-II, DarkSide-50 и Borexino.
В качестве следующего шага исследовательская группа надеется работать с экспериментальными коллаборациями, чтобы проанализировать существующие данные и выяснить, можно ли настроить параметры поиска активных экспериментов для поиска сигналов темной материи.
