Прямой метод. - Поиски Темной материи

Методы прямого детектирования основаны на поиске упругого (или неупругого) рассеяния WIMPs на ядрах детектора-мишени. Ядра отдачи передают приобретенную в результате такого взаимодействия энергию через ионизацию и тепловые (фононные) процессы. Современные методы регистрации энергии ядер отдачи основаны на использовании традиционных сцинтилляционных, полупроводниковых и газовых детекторов, а также новых болометрических (низкотемпературных) детекторов и детекторов на основе сверхпроводящих микрогранул и перегретых капель.

Энергетические потери нейтралино с массами от 10 ГэВ до 1ТэВ в таких детекторах будут не более 100 кэВ, а скорость счета на 1 кг детектора - пропорциональна потоку нейтралино, падающему на детектор, и сечению их упругого рассеяния на ядрах.

Теоретические оценки дают очень малые значения для величины сечения, поэтому ожидается очень низкая скорость счета -- от 10-1 до 10-5 отсчетов/кг в день. Это значительно усложняет задачу экспериментального поиска частиц и требует применения детекторов с большой массой, низким порогом регистрации и очень низким собственным фоном.

При постановке эксперимента также необходимо знать функцию отклика детектора на взаимодействие с частицами Темной Материи, или энергетический спектр ядер отдачи.

В Гран-Сассо Национальной лаборатории в Италии, проводится эксперимент XENON.

Эксперимент XENON100 предназначен для поиска WIMPs именно таким способом - детектор представляет собой емкость, заполненную жидким ксеноном, масса которого составляет 161 килограмм. Емкость находится под землей на глубине 1,4 километра - такое расположение позволяет исключить попадание на детектор множества посторонних частиц. Если WIMP оказывается в емкости с ксеноном, то он, с высокой вероятностью, может столкнуться с одним из его атомов, породив вспышку света.

Авторы новой работы анализировали данные, собранные с января по июнь 2010 года - в общей сложности физики учли 100,9 дней работы детектора. За это время было обнаружено три подозрительных события, два из которых оказались шумом (теоретические выкладки предсказывали, что за изученный период должно было накопиться от 1,2 до 2,4 фоновых события). Высокий уровень шума, как выяснилось недавно, связан с наличием примесей криптона-85 в ксеноне внутри детектора.

Отрицательный результат устанавливает новые пределы для энергии и массы частиц темной материи. Наиболее реакционноспособными считаются тяжелые WIMPs, и их отсутствие в эксперименте XENON100 снижает вероятность существования таких тяжелых частиц. В настоящее время физики анализируют вопрос о том, хватит ли чувствительности детектора для регистрации более легких частиц темной материи.

Хотя эксперимент не обнаружил WIMP, прогресс создает условия для амбициозного проекта следующего поколения называется XENON1T, который будет использовать гораздо больше, одну тонну жидкого ксенона инструмент с узкоспециализированными световыми детекторами разработан в Калифорнийском университете, которые делают его в 100 раз более чувствительным, чем XENON100, сказал Дэвид Клайн, профессор физики Калифорнийского университета.

Примеры ожидаемых спектров при регистрации WIMPs с различными массами приведены на рис. 8 , где также показан экспериментальный фоновый спектр полупроводникового германиевого детектора. Фоновый спектр детектора при низких энергиях, как правило, обусловлен шумами электронной аппаратуры, радиоактивным излучением изотопов, содержащихся в детекторе и окружающих материалах, а также проникающими даже на большую глубину космическими лучами. Видно, что ожидаемые спектры ядер отдачи и фоновый спектр имеют примерно одинаковую экспоненциально спадающую форму, что сильно затрудняет задачу выделения полезного сигнала.

теоретические спектры ядер отдачи при регистрации wimps с различными массами при помощи полупроводникового германиевого детектора и экспериментальный фоновый спектр детектора

Рис. 8. Теоретические спектры ядер отдачи при регистрации WIMPs с различными массами при помощи полупроводникового германиевого детектора и экспериментальный фоновый спектр детектора

Для уверенной регистрации необходимо использовать дополнительные признаки событий, связанные именно с частицами Темной Материи, например зависимость дифференциальной скорости счета от времени из-за эффекта годовых модуляций.

Этот эффект -- следствие сложения скоростей налетающих на Землю частиц со скоростью Земли: комбинация движения Солнца (вокруг центра Галактики) через галактическое Темное гало и вращения Земли вокруг Солнца будет разной для различных времен года.

Максимум скорости счета ожидается 2 июня, когда Земля движется против потока частиц, а минимум -- ровно через полгода, когда Земля "убегает" от них, рис. 9.

схема движения солнца и земли относительно потока частиц галактического гало, иллюстрирующая эффект годовой модуляции

Рис.9. Схема движения Солнца и Земли относительно потока частиц галактического гало, иллюстрирующая эффект годовой модуляции

Предсказываемая величина сезонного изменения всего 5%, так что обнаружить эффект нелегко, тем более он в значительной степени может быть затенен сезонными вариациями собственного фона детектора за счет различных внешних факторов. Тем не менее недавно коллаборация DAMA декларировала обнаружение годовых модуляций WIMPs, которые интерпретируются как результат упругого рассеяния нейтралино с массой около 60 ГэВ и сечением порядка 7-10-42 см2 (рис. 10 и 12).

результаты эксперимента dama по поиску годовых модуляций wimps

Рис. 10. Результаты эксперимента DAMA по поиску годовых модуляций WIMPs

Скорость счета NaI детекторов в интервале низких энергий в различные времена года приведена в зависимости от текущего времени начиная с 1 января первого года измерений. Вертикальными пунктирными линиями отмечены полугодовые периоды, соответствующие ожидаемым минимумам и максимумам сезонной вариации скорости счета WIMPs.

Эксперимент проводится с использованием сцинтилляционных NaI детекторов общим весом около 100 кг в подземной лаборатории Гран-Сассо. Это первый положительный результат поиска частиц Темной Материи. Результаты другой коллаборации CDMS2 -- эксперимент проводился на дне 700-метровой Суданской шахты в американском штате Миннесота, с использованием низкотемпературных германиевых и кремниевых детекторов. По итогам очистки данных было зарегистрировано два события (5 августа и 27 октября 2007 года). Но два события -- слишком крохотная статистика, чтобы делать какой-либо уверенный вывод. Поэтому для окончательного вывода о регистрации WIMPs с такими характеристиками требуются дополнительные эксперименты. Кроме эксперимента CDMS сейчас ближе всех по чувствительности к результату DAMA подошли эксперимент IGEX-DM, проводимый одновременно в подземных лабораториях Баксан (Россия) и Канфранк (Испания), и эксперимент "Гейдельберг--Москва" в лаборатории Гран-Сассо. В обоих случаях используются полупроводниковые детекторы из сверхчистого германия общей массой порядка 10 кг.

Детектор CoGeNT, возможно, обнаружил следы темной материи.

Выступая на собрании Американского физического общества, представитель коллаборации CoGeNT Хуан Коллар представил новые экспериментальные данные, которые, возможно, содержат следы частиц темной материи.

В первых результатах работы CoGeNT ученые сообщали о найденных свидетельствах воздействия на вещество детектора WIMPs -- основных кандидатов на роль компонентов темной материи. Если предположить, что эти выводы верны, то WIMPs должны иметь небольшую массу, около 10 ГэВ; примерно такие же значения получили сотрудники коллаборации DAMA/LIBRA, заявившие о регистрации темной материи еще в 2008 году.

Единственная проблема заключается в том, что существование легких WIMPs не подтверждается другими экспериментами. Область масс, на которую указывают CoGeNT и DAMA/LIBRA, была исключена по данным с ксенонового детектора XENON100, да и участникам проекта CDMS обнаружить легкие WIMPs не удалось. Последний факт особенно важен, поскольку установки CDMS и CoGeNT используют одно и то же детекторное вещество (германий) и расположены рядом, в подземной лаборатории на территории штата Миннесота. Очень сложно придумать такую модель, в которой темная материя взаимодействовала бы с неким материалом в одном опыте, но не проявляла бы себя в аналогичном эксперименте.

Впрочем, упомянутые выше результаты CoGeNT относились всего к 56 дням работы детектора. Сейчас физики работали с бoльшим объемом информации, собранной за 442 дня.

На таком временном отрезке можно применять методику поиска, которая принесла результат в случае DAMA/LIBRA. Этот способ не требует тщательного исследования зарегистрированных событий, проводимого коллаборациями XENON и CDMS; достаточно просто отмечать все взаимодействия определенного типа в объеме детектора, не задумываясь о том, связаны они с вимпами или нет. Критерием обнаружения темной материи становится появление сезонных вариаций в набранной последовательности сигналов.

И 4 мая 2011 года обработав данные(собранной за 442 дня )физики обнаружили сезонные изменения частоты регистрации событий, что можно объяснить действием -- WIMPs частиц темной материи.

Похожие статьи




Прямой метод. - Поиски Темной материи

Предыдущая | Следующая