Материалы портала «Научная Россия»

0 комментариев 296

Еще один шаг к раскрытию тайны темной материи: о свойствах скрытых фотонов

Еще один шаг к раскрытию тайны темной материи: о свойствах скрытых фотонов
В Институте ядерных исследований РАН идет поиск скрытых фотонов, используя специально разработанный для этого прибор – мультикатодный счетчик.

Согласно данным астрофизических наблюдений масса темной материи во Вселенной более, чем в пять раз превышает массу видимой материи. Благодаря огромной массе темная материя влияет на движение звезд и тем не менее в лабораторных условиях нам не удалось зарегистрировать от нее сигнал. Раскрыть природу темной материи – это важнейшая задача современности. Колоссальные усилия предпринимаются в настоящее время для решения этой задачи. Поиск идет широким фронтом, поскольку невозможно уверенно предсказать, где нас ожидает это важное открытие. 

Большая часть экспериментов по поиску темной материи проводится с использованием жидких благородных газов в качестве мишени. Работы сфокусированы на поиск WIMP – массивных слабовзаимодействующих частиц. Такие частицы, рассеиваясь на ядрах мишени, дают слабый сигнал от ионизации вещества мишени ядром отдачи. Масштаб этих экспериментов впечатляет: тонны рабочего вещества, а чувствительность настолько высока, что достигла уже «нейтринного дна», то есть, когда ожидаемый эффект от темной материи сравнивается с ожидаемым эффектом от солнечных нейтрино. И тем не менее, эффект пока не зарегистрирован. 

В эксперименте с жидким ксеноном XENON1T в Италии наблюдается некий избыток событий над фоном в области 2-3 кэВ электронов отдачи, который вызвал определенный ажиотаж среди физиков, работающих над этой проблемой, и сейчас предпринимаются попытки дать объяснение этому избытку в рамках той или иной теоретической модели. Пока все это носит дискуссионный характер. 

В эксперименте DAMA/LIBRA в Италии с низкофоновыми сцинтилляционными детекторами NaI(Tl) в течение многих лет наблюдаются сезонные вариации, согласующиеся с ожидаемыми вариациями от WIMP за счет изменения скорости Земли относительно гало темной материи во время ее вращения вокруг Солнца. Наблюдаемый эффект очень впечатляет, но, к сожалению, он пока не нашел независимого подтверждения и, кроме того, его трудно согласовать с данными, полученными в других экспериментах. Интрига обостряется, но пока она далека от разрешения. Понятно, что в этих условиях предпринимаются попытки расширить географию поиска. Существует множество теоретических моделей, предлагающих разные варианты в качестве кандидатов на темную материю. Среди них – скрытый фотон, который может быть зарегистрирован за счет кинетического смешивания с обычным фотоном. Константа кинетического смешивания в качестве безразмерного параметра, определяющего интенсивность этого процесса, входит в соответствующий Лагранжиан.  Предпринимаются попытки «увидеть» скрытый фотон с помощью ускорительной техники. Так, в эксперименте NA64 в ЦЕРНе исследована область больших масс. Поиск скрытых фотонов здесь идет по продуктам его распада на лептоны. По результатам работы за 2016-2018 годы получены наиболее сильные ограничения на параметр смешивания для больших масс ≤ 0.2 ГэВ.

В Институте ядерных исследований РАН идет поиск скрытых фотонов, используя специально разработанный для этого прибор – мультикатодный счетчик. Здесь мишенью являются свободные электроны вырожденного электронного газа металла (алюминия). В этом – уникальность используемой методики. Согласно последним результатам, опубликованным в журнале «Космология и астрофизика» (А.Копылов, И.Орехов и В.Петухов “Результаты поиска скрытых фотонов темной материи используя мультикатодный счетчик) получен предел на параметр кинетического смешивания для скрытых фотонов < 1˖10-11 для массы скрытых фотонов от 9 до 40 эВ. Этот результат включен в компиляцию новых данных по элементарным частицам (Группа по данным элементарных частиц) для публикации в журнале «Прогресс в теоретической и экспериментальной физике».

Полученный результат является важным рубежом в исследовании природы холодной темной материи на мишени из свободных электронов вырожденного электронного газа металла. Дальнейшее продвижение в этом направлении исследований планируется проводить с помощью набора мультикатодных счетчиков ортогонально ориентированных и размещенных в шахтах на различной географической широте, в том числе, на Байкальской нейтринной обсерватории Института ядерных исследований Российской академии наук. Если поле скрытых фотонов ориентировано в определенном направлении относительно галактики, должны наблюдаться суточные вариации скорости счета от скрытых фотонов с характерной амплитудой и фазой, зависящей от ориентации счетчика и от географической широты его местоположения. Подробно это изложено в препринте arXiv:2006.05452. Готовится публикация в журнале Объединенного института ядерных исследований «Физика элементарных частиц и атомного ядра».

вселенная институт ядерных исследований ран ияи ран мультикатодный счетчик ран скрытые фотоны темная материя

Назад

Социальные сети

Комментарии

Авторизуйтесь, чтобы оставить комментарий

Информация предоставлена Информационным агентством "Научная Россия". Свидетельство о регистрации СМИ: ИА № ФС77-62580, выдано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций 31 июля 2015 года.