|
Нейтринные обсерватории найдут темную материю
|
|
|
|
Темная материя - это неуловимый тип материи, который не излучает, не отражает и не поглощает свет, но, по оценкам, составляет большую часть массы Вселенной. В течение последних десятилетий многие физики по всему миру пытались обнаружить этот тип материи или сигналы, связанные с его присутствием, используя различные подходы и технологии.
|
|
|
|
Поскольку ранее она никогда не обнаруживалась напрямую, состав и свойства темной материи остаются в основном неизвестными. Первоначально поиски темной материи были сосредоточены на обнаружении относительно тяжелых частиц. Однако совсем недавно физики также начали искать более легкие частицы с массой менее одного гигаэлектронвольта (ГэВ), которые, таким образом, были бы легче протонов.
|
|
|
|
Исследователи из Национальной ускорительной лаборатории SLAC и Университета штата Огайо недавно показали, что сигнатуры этих частиц темной материи с энергией ниже ГэВ также могут быть обнаружены нейтринными обсерваториями - большими подземными детекторами, изначально предназначенными для изучения нейтрино (то есть легких частиц, которые слабо взаимодействуют с обычной материей).
|
|
|
|
Их статья, опубликованная в журнале Physical Review Letters, может послужить основой для будущих поисков легкой и темной материи, открывая новые пути, которые могут привести к ее обнаружению.
|
|
|
|
|
|
|
"Обнаружить легкую темную материю очень сложно, потому что при рассеянии она передает лишь небольшое количество энергии", - сказала Ребекка Лин, первый автор статьи Phys.org. "В то же время строятся нейтринные обсерватории, подобные "Юноне", с огромными массами мишеней и изысканно оснащенными детекторами, но изначально они не были спроектированы с учетом темной материи. Эта статья возникла из-за вопроса: "Почему нейтринные обсерватории не используются как стандартные специализированные эксперименты по прямому обнаружению темной материи?"
|
|
|
|
Перепрофилирование нейтринных детекторов для поиска легкой темной материи
|
|
|
|
Нейтринные обсерватории обычно имеют больший объем, чем большинство детекторов, на которые физики до сих пор полагались при поиске легкой темной материи. Многие из этих обсерваторий, включая обсерватории Юнона, Борексино и Камланд, основаны на жидких сцинтилляторах - жидкостях, которые излучают свет, когда через них проходят заряженные частицы.
|
|
|
|
"Эти жидкие сцинтилляторы имеют более низкие пороги возбуждения, чем другие детекторы, что означает, что они в принципе могут обнаруживать явления рассеяния с низкой энергией", - сказал Лиане. "Так почему бы их не использовать?"
|
|
|
|
В рамках своего исследования Лиане и ее коллега Джон Биком решили изучить потенциал перепрофилирования нейтринных обсерваторий для поиска легкой темной материи. Для этого они смоделировали рассеяние темной материи с энергией ниже ГэВ внутри детектора на основе сцинтиллятора, уделив особое внимание детектору JUNO, нейтринной обсерватории на юге Китая, который обладает замечательной чувствительностью.
|
|
|
|
"Мы показали, что нейтринные обсерватории могут действовать как мощные детекторы темной материи, отслеживая не отдельные события (как обычно работают нейтринные детекторы), а незначительное, изменяющееся во времени превышение их обычного "фонового" сигнала, чтобы подавить большие фоновые волны в режиме низкой энергии", - сказал Лиане. "Это приводит к потенциально лучшей в мире чувствительности к темной материи".
|
|
|
|
По сути, Лиане и Биком рассмотрели сценарий, в котором частицы темной материи в пределах нашей галактики пролетают через большой нейтринный детектор, заполненный жидким сцинтиллятором. В этом сценарии легкая частица темной материи может столкнуться с электроном внутри жидкости, возбуждая его и заставляя испускать крошечную вспышку света.
|
|
|
|
"Эта вспышка настолько мала, что обычно производит менее одного заметного попадания в фотоэлектронный умножитель (ФЭУ), поэтому единичный случай рассеяния неотличим от обычной "скорости затемнения" детектора, случайных щелчков ФЭУ, которые всегда присутствуют из-за шума", - объяснил Лиане. "Ключевая идея заключается в том, чтобы использовать ежегодную статистику, а не единичные события. Темная материя в нашей галактике должна вызывать небольшую ежегодную модуляцию скорости рассеяния по мере того, как Земля движется вокруг Солнца".
|
|
|
|
Несмотря на то, что ежегодный сигнал, связанный с модуляцией рассеяния темной материи, очень мал, его частота предсказуема и может быть определена путем тщательного мониторинга частоты попаданий в ФЭУ с течением времени. Недавно предложенный исследователями подход к поиску темной материи с энергией ниже ГэВ имеет заметные преимущества по сравнению с используемыми в настоящее время методами.
|
|
|
|
"Во-первых, нейтринные обсерватории, такие как JUNO, имеют огромную массу мишени (около 20 000 тонн), что значительно увеличивает количество потенциальных выбросов темной материи по сравнению с обычными экспериментами по прямому обнаружению", - сказал Лиане.
|
|
|
|
"Во-вторых, жидкий сцинтиллятор, который они используют, имеет очень низкий энергетический порог для электронных возбуждений, что делает его особенно подходящим для темной материи с энергией ниже ГэВ. В статье мы рассматриваем конкретный пример с JUNO и показываем прогнозируемые кривые чувствительности для поперечного сечения рассеяния темной материи на электронах, демонстрируя, что этот метод может превзойти существующие эксперименты по прямому обнаружению в некоторых диапазонах масс".
|
|
|
|
Новые возможности для экспериментов с темной материей
|
|
|
|
В целом, анализы, проведенные этой командой исследователей, показывают, что даже если бы они были построены с совершенно иной целью, нейтринные обсерватории могли бы стать многообещающими инструментами для поиска легких частиц темной материи. В будущем предложенный ими подход к перепрофилированию этих обсерваторий может быть доработан и использован для поиска темной материи с энергией ниже ГэВ.
|
|
|
|
"Вместо того, чтобы искать крупные, реконструированные события, мы показываем, как использовать совокупную темную частоту PMT в качестве наблюдаемой темной материи, используя ее ежегодную модуляцию", - сказал Лиане. "Мы обнаружили, что, накопив данные примерно за год, JUNO может исследовать поперечные сечения рассеяния темной материи на электронах примерно до 1039 см2 на наличие темной материи с энергией МэВ, достигая интенсивности взаимодействия, которая особенно интересна с точки зрения теории элементарных частиц и к которой трудно получить доступ другими методами.
|
|
|
|
"Это открывает новые возможности для обнаружения в диапазоне масс МэВ-ГэВ и позволяет предположить, что несколько существующих и будущих детекторов (таких как Borexino и SNO+), возможно, уже способны внести свой вклад в конкурентные поиски, просто повторно проанализировав свои данные в этой системе".
|
|
|
|
Подход, предложенный Лианом и Beacom, вскоре может вдохновить физиков-экспериментаторов по всему миру полагаться на жидкие сцинтилляторы, используемые для изучения нейтрино при проведении экспериментов с темной материей. Такие усилия могли бы помочь в перепроверке сигналов, получаемых другими детекторами, установить более жесткие ограничения на свойства гипотетических частиц легкой и темной материи или даже могли бы способствовать их обнаружению.
|
|
|
|
"Есть несколько будущих направлений исследований, которые мне не терпится изучить", - сказал Лиане. "С теоретической точки зрения, мы хотим усовершенствовать моделирование того, как темная материя взаимодействует с конкретными материалами детектора, включая более подробные расчеты электронного отклика сцинтиллятора и потенциальных систематических погрешностей. С экспериментальной точки зрения важным шагом является сотрудничество с такими компаниями, как JUNO и другими, чтобы охарактеризовать их темновые показатели PMT в течение длительного времени и проверить, насколько они стабильны и понятны - это имеет решающее значение для поиска на основе модуляции".
|
|
|
|
В рамках своих следующих исследований исследователи планируют распространить идею, представленную в их статье, на другие конструкции детекторов, помимо жидких сцинтилляторов. Кроме того, они изучат возможность проведения совместных анализов, объединяя данные, собранные в нескольких обсерваториях в разных частях мира.
|
|
|
|
"Эти поиски будут чрезвычайно сложными", - сказал Биком. "Однако такова природа передовых физических исследований, и экспериментаторы очень умело обходят трудности. Тот факт, что существует несколько детекторов с различной чувствительностью, означает, что они могут помогать проверять результаты друг друга".
|
|
|
|
"В конечном счете, наша цель - создать надежную программу с несколькими экспериментами, которая может либо обнаружить темную материю с энергией ниже ГэВ, либо значительно сузить область, где она все еще может скрываться", - добавил Лиане.
|
|
|
|
Источник
|
