Мировые физические новости: Детектор DarkSide проверяет существование «ядерной» темной материи
Исследователи из коллаборации DarkSide представили результаты семилетнего эксперимента, в ходе которого проверялось, могут ли частицы темной материи существовать в виде составных частей более мелких элементарных частиц. Хотя поиск не выявил прямых доказательств существования этой «сверхтяжелой ядерной» темной материи, результаты, полученные с помощью детектора DarkSide-50, могут заложить основу для будущих экспериментов, помогая физикам выяснить, имеет ли темная материя внутреннюю структуру.
На сегодняшний день двумя наиболее распространенными теориями, объясняющими природу темной материи, являются аксионы и слабо взаимодействующие массивные частицы (WIMP), ни одна из которых не взаимодействует с излучением или обычной материей, за исключением гравитации. Хотя эти две теории сильно различаются, они разделяют предположение о том, что темная материя существует исключительно в виде элементарных частиц, которые не могут быть расщеплены дальше — в отличие от атомного ядра, которое распадается на составляющие протоны и нейтроны.
Однако, поскольку прямое обнаружение этих частиц по-прежнему ускользает от физиков, исследователи рассматривают альтернативную идею - что темная материя может обладать собственной ядерной физикой. Согласно этому описанию, темные частицы связываются друг с другом в ранней Вселенной, образуя очень большие „темные ядра“, потенциально содержащие миллиарды или значительно больше составляющих.
Опираясь на эти первоначальные теории, команда ученых - коллаборация DarkSide - рассматривала, как составные ультратяжелые частицы темной материи будут выглядеть в экспериментальных детекторах, подобно приборам, созданным для обнаружения аксионов и WIMP-частиц. Учет внутренней структуры С 2013 по 2020 год коллаборация исследовала на DarkSide-50 - детекторе, построенном на основе цилиндрического резервуара с жидким аргоном, расположенного в Национальной лаборатории Гран-Сассо (INFN) в Италии — крупнейшем в мире подземном исследовательском центре. Как и другие детекторы темной материи, DarkSide-50 был разработан для регистрации слабых вспышек света, которые, как предполагается, возникают при рассеянии частиц темной материи на атомных ядрах в жидкости, вызывая отскок ядра и выделяется энергия. Для элементарных аксионов или WIMP-частиц это взаимодействие привело бы к единичному отдаче.
В своем последнем исследовании коллаборация DarkSide представляет исчерпывающий анализ данных, собранных во время работы DarkSide-50. В результате, как и ожидалось, эксперимент не обнаружил никаких доказательств взаимодействия составной темной материи с ядрами аргона. Тем не менее, результаты позволяют команде исключить широкий спектр предполагаемых свойств сверхтяжелой темной материи, уточняя цель для будущих экспериментов.«Интересной особенностью результата является то, что чувствительность зависит от свойств составляющих — «темных нуклонов» — показывая, что внутренняя структура темной материи может иметь наблюдаемые последствия. В более широком смысле, ученые уверены, что данные, полученные с помощью DarkSide-50, помогут прояснить, из чего на самом деле состоит неуловимое вещество, составляющее 85% массы Вселенной. Если темная материя действительно существует в сверхтяжелой, сложной форме, детекторы, созданные на основе возможностей DarkSide-50, в конечном итоге смогут исследовать ее внутреннюю структуру, подобно тому как обычные эксперименты по рассеянию позволяют изучать структуру атомных ядер.
Исследование опубликовано в журнале Physical Review D.
Детектор DarkSide-50 позволяет увидеть, как распределяется энергия в зависимости от массы ядерной темной материи. Изображение: Phys.org