Краткая история астрономии. Том 11. Темная материя

Часть 11-11
Инструменты поиска темной материи

Содержание

(том – часть – глава)

11-11-1. Природа частиц тёмной материи

11-11-2. Физическое обнаружение гипотетических частиц тёмной материи

11-11-3. Попытки. Справка

11-11-4. ADMX

11-11-5. Пьер Сикиви

11-11-6. CDMS

11-11-7. В Канаде начали строить самый точный детектор темной материи

11-11-8. Проект XENON

11-11-9. Коллаборация DarkSide

Глава 11-11-1
Природа частиц тёмной материи

Тёмная материя определяется по гравитационному взаимодействию с обычным веществом и излучением. Гипотетические частицы холодной темной материи — медленные (нерелятивистские), они очень слабо взаимодействуют друг с другом и с обычной материей и не излучают фотонов. Они подразделяются на слабо взаимодействующие массивные частицы (WIMP — weakly interacting massive particles) и слабо взаимодействующие легкие частицы (WISP — weakly interacting slim particles).

WIMP — это в основном частицы из теории суперсимметрии (суперсимметричные партнеры обычных частиц Стандартной модели) с массами больше нескольких килоэлектронвольт, такие как фотино (суперпартнер фотона), гравитино (суперпартнер гипотетического гравитона), и т. д. Наилучшим кандидатом на звание частицы темной материи из числа WIMP ученые сейчас считают нейтралино — это квантовая «смесь» суперпартнеров Z-бозона, фотона и бозона Хиггса.

На данный момент частицы с необходимыми свойствами открыты не были, но многие расширения стандартной модели предсказывают существование таких частиц. Поиск вимпов включает попытки прямого обнаружения высокочувствительными детекторами, а также попытки их создания на ускорителях частиц. Вимпы обычно рассматривают как наиболее вероятные кандидаты в составляющие тёмной материи.

Основной кандидат из группы WISP — аксион, возникающий в теории сильного взаимодействия и имеющий очень малую массу. Эта очень легкая (миллионные доли электронвольта) стабильная и электрически нейтральная частица способна в очень сильных магнитных полях превращаться в фотон-фотонную пару, что дает намек на то, как можно попытаться ее обнаружить в эксперименте.

Аксионы обладают теоретическим преимуществом, поскольку их существование может решить одну из проблем квантовой хромодинамики, но пока эти частицы обнаружены не были.

Не исключено, что темная материя — это MACHO или массивные компактные объекты гало являются крупными плотными объектами, такими как чёрные дыры, нейтронные звёзды, белые карлики, очень слабые звёзды или несветящиеся объекты типа планет. Поиск таких объектов заключается в использовании метода гравитационного линзирования для обнаружения влияния таких объектов на изображения галактик фона. Большинство экспертов считает, что ограничения, полученные из результатов поиска объектов, исключают MACHO из числа кандидатов в составляющие тёмную материю объекты.

Глава 11-11-2
Физическое обнаружение гипотетических частиц тёмной материи

Экспериментальное обнаружение частиц тёмной материи должно основываться, во-первых, на том, что они обладают массой, гравитационно взаимодействующей с другими массами, во-вторых, что эта масса должна быть очень велика. Однако кроме этого о тёмной материи ничего не известно. Основная трудность при поиске частиц тёмной материи заключается в том, что они не участвуют в электромагнитном взаимодействии, то есть невидимы и имеют небарионную природу.

Имеются два варианта поиска: прямой и косвенный.

При прямом экспериментальном поиске ТМ с помощью наземной аппаратуры изучаются следствия взаимодействия этих частиц с электронами или атомными ядрами в чувствительном объёме низкофонового ядерно-физического детектора. При рассеянии частицы тёмной материи, входящей в состав галактического гало, на частице обычного вещества (электроне или нуклоне) последняя получает определённую кинетическую энергию и может быть зарегистрирована обычными методами. Проблема заключается в чрезвычайной малости сечения взаимодействия частиц ТМ с обычными частицами. Дополнительная экспериментальная сигнатура, позволяющая подавить фон, но вносящая определённую модельную зависимость, основана на ожидаемом периодическом изменении скорости Земли (и детектора вместе с ней) относительно гало тёмной материи ввиду орбитального движения вокруг Солнца, что должно приводить к вариациям сигнала с годичной периодичностью и максимумом в начале июня. Вариант прямого поиска лёгких частиц ТМ (в частности, аксионов) заключается в детектировании их распада на фотоны в магнитном поле в высокодобротной резонансной полости (так называемом галоскопе).

Подобные эксперименты требуют высокой точности и исключения помех от других источников сигнала, поэтому детекторы, как правило, располагаются под землёй.

Косвенные методы детектирования основаны на попытках обнаружения потоков вторичных частиц (нейтрино, фотонов и т. п.), которые возникают, например, благодаря аннигиляции солнечной или галактической тёмной материи.