Фізика
Фізика

Успіхи експериментів DAMA з пошуку темної матерії знову не повторили

Експеримент з пошуку темної матерії COSINE-100 у південнокорейській лабораторії не зміг повторити успіху аналогічного експерименту DAMA. Аналогічно італійським колегам, вони використовували йодид натрію, щоб зафіксувати слабовзаємодіючі масивні частинки, вімпи, але так і не побачили жодного сигналу за 1,7 року роботу. Експеримент продовжує роботу, щоб перевірити побачені DAMA річні модуляції сигналу, повідомляють дослідники у Science Advances.

COSINE-100 collaboration

COSINE-100 collaboration

Навіщо шукають темну матерію?

Астрономічні спостереження продовжують вказувати на те, що Всесвіт складається переважно з так званої темної матерії. Темної у значенні невідомої, адже вона не фіксується у ні у радіохвилях, ні в оптичному, рентгенівському, ні в будь-якому іншому випромінюванні, але поведінка «видимої» частини Всесвіту — планет, зірок, галактик — вказує, що на неї гравітаційно впливає щось ще. І на роль частинок, з яких складається темна матерія, фізики пропонують кілька кандидатів, пошуками яких займається велика кількість лабораторій.

Одними з таких частинок є слабовзаємодіючі масивні частинки — вімпи. Вімпи теоретично в десятки чи навіть у сотню разів більші за масу протона (масивні) і майже не проявляють себе при взаємодії зі звичайною речовиною (слабовзаємодіючі). Більше про кандидатів на фундаментальні частинки-носії темної матерії nauka.ua розповідала у картках «Що таке темна матерія і темна енергія?».

Теорія передбачає, що вімпи утворюють величезну хмару навколо кожної галактики, у тому числі і навколо нашого Чумацького Шляху, а тому ми обов'язково проходимо крізь цю хмару і здатні відчути зустрічний «вімповий вітер». Однак, незважаючи на узгоджені зусилля багатьох колаборацій, досі жодних переконливих свідчень вимпів знайти не вдалося. Окрім як команді італійського експерименту DAMA.

Що побачили італійці?

Дослідники DAMA використовують інакший підхід, щоб спробувати виявити темну матерію, ніж більшість експериментів. У той час як інші установки шукають частинки темної матерії або у зіткненнях, або у змінах фонового сигналу, DAMA шукала річні зміни сигналів своїх детекторів у підземній лабораторії Гран-Сассо в Італії. На їхню думку, річні зміни сигналу свідчитимуть про зустрічі з «вімповим вітром», коли Земля займе найкращу для цього позицію — а саме у червні. Тобто якщо червневих сигналів буде більше за ті, що зафіксують у грудні, це буде свідченням вімпів.

Відтак понад як 20 років з 1990-х вони приносили позитивні результати, підвищуючи статистичну точність і покращуючи чутливість детекторів. Новий більший детектор DAMA / LIBRA продовжив фіксувати сигнали, а до 2018 року вчені досягли статистичної точності свого результату до 13 сигми. Втім, як і величезної кількості критики з боку інших колаборацій.

Що не так з їхнім експериментом?

Фізики не сумніваються у тому, що в італійській печері дійсно фіксують якісь сигнали, однак вони вважають, що їх можуть неправильно інтерпретувати. Річ у тім, що з початку своєї роботи DAMA публікували лише остаточні річні результати, не надаючи жодних проміжних, у тому числі і про умови експерименту. Тому деякі вчені вважають, що їхній успіх може бути похибкою через вплив гелію на фотопримножувачі.

Інші експерименти, які шукають вимпи, такі як XENON1T в Італії та XMASS-I у Японії, також так і не змогли їх знайти, хоча показували хорошу точність. І навіть повна копія італійського детектора — експеримент у підземній лабораторії Канфранк глибоко під Піренеями на півночі Іспанії з детектором ANAIS, за три роки так і не відтворив результати DAMA / LIBRA. ANAIS також використовував детектор на основі йодиду натрію, але при цьому використав інший підхід до аналізу даних. Детальніше про нього ми розповідали у новині про результати його роботи.

Ще одним експериментом, який намагається повністю відтворити умови DAMA / LIBRA є південнокорейський COSINE-100 у підземній лабораторії Яньян на глибині 700 метрів, результати роботи якого за 1,7 року і опублікували.

Що знайшов експеримент?

Експеримент складається з восьми низькофонових кристалів йодиду натрію легованих талієм. Кожен кристал пов'язаний із двома фотоелектронними помножувачами. Вся мішень знаходиться у 2200 літрах рідкого сцинтилятора, який допоможе побачити сигнали, що виникають усередині або зовні кристалів. Фонове забруднення ділиться на чотири категорії: внутрішнє забруднення, поверхневе забруднення, зовнішні джерела та космічні промені. Рідкий сцинтилятор оточений міддю, свинцем та пластиковими сцинтиляторами для зменшення фонового внеску від зовнішнього випромінювання, а також для маркування та придушення подій, пов'язаних із мюонами космічних променів.

Вчені представили результати за період з 21 жовтня 2016 року по 18 липня 2018 року. Ефективність відбору подій оцінюється за допомогою набору калібрувальних даних. Події класифікуються відповідно до їхньої енергії: від 1 до 70 кілоелектронвольт — низькоенергетичні та від 70 до 3000 кілоелектронвольт — високоенергетичні. Для інтерпретації даних DAMA/LIBRA та порівняння з даними COSINE-100, вчені використовують найбільш відповідні значення ефективної взаємодії вімпів з нейтронами та протонами.

Покращені вимоги до відбору подій, точніше розуміння фону детектора та використання більшого набору даних, які значно підвищили чутливість COSINE-100, показали, що не було жодного сигналу, який відповідає взаємодії з темною матерією. Результати цього аналізу із накопиченими за 1,7 року даними накладають нові обмеження на пошук темної матерії, проте для однозначного висновку вчені планують продовжити експеримент, щоб порівняти дані річної модуляції DAMA/LIBRA з даними COSINE-100 за кілька років.