Краткая история астрономии. Том 11. Темная материя

Глава 11-12-6
Физики заподозрили земную кору в «ослеплении» детекторов темной материи

Июль 2018

Датские физики показали, что существующие подземные детекторы темной материи принципиально не могут зарегистрировать сильно взаимодействующую темную материю, поскольку ее частицы рассеиваются и замедляются в земной коре. Статья опубликована в Physical Review D.

В основе конструкции типичного детектора темной материи лежит огромная масса обычного вещества (например, жидкого ксенона), которая постоянно просматривается чувствительными детекторами, способными почувствовать даже очень слабую вспышку света. Расчет заключается в том, что при рассеянии частицы темной материи на частице обычной материи можно точно установить массу частицы, запустившей реакцию. Соответственно, чем больше масса детектора и чем дольше мы ведем наблюдение, тем выше вероятность увидеть рассеяние частицы темной материи. Способы детектирования и химический состав вещества у каждого детектора могут отличаться, однако основная цель всегда одинакова — увеличить массу рабочего вещества и удлинить период наблюдений.

Тем не менее, датские физики-теоретики Тимон Эмкен (Timon Emken) и Крис Куварис (Chris Kouvaris) заметили, что помещение детекторов глубоко под землю может быть как преимуществом, так и недостатком. В самом деле, все такие эксперименты предполагают, что сечение взаимодействия частиц темной материи с частицами обычной материи слишком мало, чтобы километровый слой земли вызвал хоть сколько-нибудь заметное уменьшение их количества. С другой стороны, если сечение будет лежать в промежуточной области, то частицы темной материи будут все так же слабо взаимодействовать с обычным веществом, однако будут рассеиваться и тормозиться по пути к детектору. В этом случае увеличение массы и длительности периода наблюдений не поможет увидеть темную материю.

Физики оценили число частиц, которое сможет зарегистрировать детектор при учете влияния земной коры. Учитывалось не только отражение частиц обратно в космос, но и уменьшение их скорости в результате рассеяния, поскольку из-за особенностей конструкции детекторы могут почувствовать только частицы с достаточно большой кинетической энергией.

Ученые пересчитали ограничения на сечение взаимодействия темной и обычной материи, определенные в известных экспериментах (XENON1T, CRESST и DAMIC). Оказалось, что в диапазоне масс от 0,1 до 20 гигаэлектронвольт и сечениях от 10⁻²⁵ до 10⁻⁴⁷ квадратных сантиметров существует область параметров, которую не могут исследовать существующие подземные детекторы. В диапазоне масс от 0,1 до 0,3 гигаэлектронвольт подземные детекторы в принципе не могут зарегистрировать частицы темной материи, не зависимо от массы вещества и длительности наблюдений. Поэтому авторы статьи призывают строить детекторы не только под землей, но и на поверхности. Вероятно, для большей точности их даже придется запускать в верхние слои атмосферы подобно детектору XQC (X-ray Quantum Calorimeter experiment). При этом экспериментаторам придется придумывать, как избавиться от фонового шума частиц обычной материи

_{nplus1.ru, 2 июля 2018, Дмитрий Трунин}

_{https://nplus1.ru/news/2018/07/02/underground-DM}

_{Журнал Physical Review D. 2018}

_{Тимон Эмкен (Timon Emken) и Крис Куварис (Chris Kouvaris)}

_{https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.97.115047}