|
Нейтринный туман осложнит поиски темной материи
|
|
|
|
Как будто поиск темной материи и без того недостаточно сложен, физики, возможно, обнаружили еще одно препятствие, известное как "нейтринный туман" из-за солнечных нейтрино, проходящих через Землю.
|
|
|
|
В настоящее время проводится несколько экспериментов по обнаружению темной материи, гипотетического вещества, составляющего 27% массы-энергии Вселенной и способного объяснить кривые вращения галактик и многое другое. Ожидается, что темная материя представляет собой холодные частицы, которые почти не взаимодействуют с обычной материей - поэтому их называют слабо взаимодействующими массивными частицами (WIMP).
|
|
|
|
Один из популярных методов обнаружения, на который надеются, - это глубокие подземные хранилища ксенона в жидкой форме. Есть надежда, что темная материя, падающая на Землю, будет проходить через скалу над ней к детектору, экранируя почти все космические лучи, которые также попадают на Землю.
|
|
|
|
Но нейтрино также являются очень слабо взаимодействующими частицами, которые могут проникать глубоко под землю, и солнце обеспечивает их большой поток — при более низких энергиях, до 18 МэВ/с2, до 700 триллионов в секунду на каждый квадратный метр.
|
|
|
|
|
|
|
Почти все нейтрино проходят непосредственно через Землю, но лишь незначительная их часть вступает в реакцию с атомом или ядром. По мере того как детекторы становятся все более чувствительными, этот "нейтринный туман" может помешать их способности обнаруживать темную материю. И теперь кажется вероятным, что это было замечено в ходе двух подземных экспериментов по поиску темной материи: эксперимента PandaX-4T, проведенного в Китайской подземной лаборатории Цзиньпин, расположенной в провинции Сычуань, и эксперимента XENONnT в Национальной лаборатории Гран-Сассо в Италии.
|
|
|
|
Обе группы в один и тот же день опубликовали статьи в журнале Physical Review Letters с доказательствами взаимодействия нейтрино в их детекторе в результате ядерной отдачи, когда нейтрино вылетает из ядра ксенона. Хотя их результаты чуть ниже критерия значимости в три сигмы, который физики обычно используют для получения доказательств, они еще не приближаются к стандарту в пять сигм для открытия. Тем не менее, результаты указывают на то, что нейтринный туман может осложнить их будущие усилия.
|
|
|
|
Солнечные нейтрино образуются в цепочке ядерных реакций на Солнце, когда 8B (бор) распадается на 8Be* (бериллий в возбужденном, нестабильном состоянии), позитронное и электронное нейтрино. (Атомный номер бора равен 5, в его ядре пять протонов и шесть нейтронов; 8B - это радиоизотоп с тремя нейтронами в ядре и периодом полураспада всего 772 миллисекунды.)
|
|
|
|
Эти нейтрино, которые составляют всего 0,02% от всех солнечных нейтрино, легко покидают солнечную плазму и попадают на Землю, грубо нарушая работу терпеливых детекторов темной материи. Те немногие, которые рассеиваются, делают это с помощью процесса, называемого когерентным упругим рассеянием нейтрино на ядрах, или CEvNS. (Греческая буква nu (v) является общим символом нейтрино.)
|
|
|
|
Нейтрино взаимодействует с ядром в целом с большей вероятностью, чем с отдельными нуклонами или электронами. Процесс рассеяния CEvNS был обнаружен на ускорителе в 2017 году, но при низких энергиях нейтрино его очень трудно наблюдать, поскольку отскакивающее ядро обладает небольшой энергией, всего лишь 1 кэВ/с2.
|
|
|
|
Детекторы состоят из 1-2 кубических метров жидкого ксенона массой 4-6 тонн, при температуре около -110°C (163 К), установленного на глубине 1400 метров под поверхностью в Италии и на глубине 2400 метров в Китае. Первоначальной целью обоих является обнаружение темной материи.
|
|
|
|
Каждый из них собирал данные из двух различных экспериментальных циклов в течение двух лет в поисках возможных взаимодействий CEvNS на основе теоретических предсказаний, которые включают характеристики детектора и известный поток нейтрино 8B.
|
|
|
|
Детектор XENONnT обнаружил 11 событий CEvNS с помощью анализа данных машинного обучения (и 26 событий, связанных с фоновыми источниками), в то время как PandaX-4T сообщил о 75. Несмотря на то, что детектор XENOXnT имеет на 60% больший объем и на 60% больше эффективное время массового облучения, PandaX-4T находится на километр глубже под землей.
|
|
|
|
Но основная причина большего количества данных в PandaX-4T заключается в более низком пороговом значении энергии для того, что представляет собой взаимодействие. Недостатком этого более низкого порога является больший фоновый шум, который необходимо проанализировать и устранить при анализе данных.
|
|
|
|
Оба измерили поток нейтрино от Солнца, который в совокупности согласуется с предсказаниями стандартных солнечных моделей Солнца — около 50 миллиардов нейтрино/м2/с, и поперечное сечение рассеяния процесса CEvNS для ксенона, соответствующее стандартной модели физики элементарных частиц.
|
|
|
|
В конце концов, в каждом эксперименте была получена одинаковая статистическая достоверность того, что они обнаружили взаимодействия 8B CEvNS — 2,64 сигмы для PandaX-4T и 2,73 сигмы для XENONnT. (Уровень достоверности в 3 сигмы означает, что вероятность того, что результат является фоновым колебанием, составляет 0,3%; вероятность в 5 сигм составляет всего 0,00006%.) Как упоминалось выше, этого недостаточно, чтобы результаты можно было считать доказательными.
|
|
|
|
"Благодаря постоянному сбору данных с помощью PandaX-4T и будущим усовершенствованиям мы ожидаем значительного улучшения измерений нейтрино 8B, что откроет новые захватывающие научные возможности глубоко под землей", - говорится в сообщении PandaX Collaboration. "Разработка детекторов на жидком ксеноне может также открыть новые возможности для обнаружения нейтрино низкой энергии с использованием канала CEvNS".
|
|
|
|
Сотрудники XENON Collaboration написали: "Поскольку XENONnT продолжает собирать данные, в будущем ожидается проведение более точных измерений", что, как мы надеемся, превысит порог в 3 сигмы для получения доказательств.
|
|
|
|
Источник
|
