Фізика
Фізика

За три роки експеримент ANAIS не побачив темну матерію

Колаборація ANAIS, яка у точності повторювала експерименти DAMA / LIBRA з пошуку темної матерії, не змогла відтворити їхні результати. Вчені з ANAIS так само як і їхні італійські колеги, шукали коливання сигналів від «зустрічей» Землі з гіпотетичними кандидатами у темну матерію — слабовзаємодіючими масивними частинками, вімпами. Однак, на відміну від результатів DAMA / LIBRA, які помітили ці коливання вже у 1998 році, ANAIS за три роки повторити їх не вдалося, як і експериментам інших вчених. Коротко про сумніви у даних DAMA / LIBRA повідомляє CERN Courier, а препринт статті доступний на arXiv.org.

Детектори експерименту DAMA. DAMA-LIBRA Collaboration/LNGS-INFN

Детектори експерименту DAMA. DAMA-LIBRA Collaboration/LNGS-INFN

Як шукають темну матерію?

«Темна» частина нашого Всесвіту, необхідна для Стандартної моделі та пояснення більшості наших спостережень про нього, не фіксується ні у радіохвилях, ні в оптичному, рентгенівському, ні в будь-якому іншому випромінюванні. Все, що нам вдається бачити — планети, зірки та галактики, складають всього 5 відсотків від того, що є навколо, а все інше — темне у значенні невідоме. Втім, все не так погано і темна матерія все ж здатна одного разу проявити себе — у гравітаційному впливі на наш видимий Всесвіт з міжзоряного газу, зірок та галактик. Але жодна взаємодія не відбувається просто так і щось її має переносити. Кандидатів на такі частинки є декілька й детальніше про них можна почитати у наших картках «Що таке темна матерія і темна енергія?». У своїй роботі вчені перевіряли результати експерименту з пошуку одного з таких — слабовзаємодіючу масивну частинку, вімп.

Вони подобаються фізикам, бо ними насправді можна пояснити й інші «білі плями» Стандартної моделі, для якої вімпів навіть і не існує. Вімпи природно виникають у теоріях фізики елементарних частинок і взагалі пояснення ними темної матерії є таким собі приємним бонусом. Шукати їх також зручно, бо їх можна знайти прямим спостереженням — вімпи теоретично в десятки чи навіть у сотню разів більші за масу протона (масивні) і вони майже не проявляють себе при взаємодії зі звичайною речовиною (слабовзаємодіючі). Передбачається, що вони утворюють величезну хмару навколо кожної галактики, у тому числі і навколо нашого Чумацького Шляху. Тому Сонячна система, рухаючись своєю галактичною орбітою крізь газ вімпів, обов’язково відчує зустрічний «вімповий вітер». А ми на Землі знатимемо про ці зустрічі завдяки тому, що вітер буде сезонно посилюватися та послаблюватися, оскільки Земля додатково до цього ще й рухається навколо Сонця. Саме ці річні зміни сигналу і мали побачити вчені з експерименту DAMA. Однак, фізики досить скептично ставляться до її успіхів та проводять свої експерименти.

Коли Земля знаходиться у тій же позиції відносно галактичного гало, що і Сонце — стикається з «вімповим вітром», то ми помітимо це збільшення сили зіткнення. Тому у червні ми можемо виявити зіткнень з вімпами, якщо вони існують, більше, ніж у грудні. GEOATLAS/GRAPHI-OGRE, ADAPTED BY T. DUBÉ

Коли Земля знаходиться у тій же позиції відносно галактичного гало, що і Сонце — стикається з «вімповим вітром», то ми помітимо це збільшення сили зіткнення. Тому у червні ми можемо виявити зіткнень з вімпами, якщо вони існують, більше, ніж у грудні. GEOATLAS/GRAPHI-OGRE, ADAPTED BY T. DUBÉ

Що не так з експериментом DAMA / LIBRA?

Незважаючи на переконливі, хоч і непрямі докази існування темної матерії, безліч колаборацій та експериментів не привели до позитивного результату. Окрім італійського детектора DAMA у підземній лабораторії Гран-Сассо в Італії. Наприкінці 1990-х років вони представили модулюючий сигнал, який інтерпретували як реєстрацію вімпів. Свої результати вони підтверджували наступні 20 років, паралельно покращуючи чутливість свого експерименту. Так новий більший детектор DAMA / LIBRA продовжив фіксувати сигнали, а до 2018 року вчені досягли статистичної точності свого результату до 13 сигми. З роками важливість результатів DAMA продовжувала зростати, але зростала вона разом із критикою інших вчених.

Річ у тім, що інші спрямовані на пошуки темної матерії експерименти, з не менш великою точністю, наприклад, XENON1T і LUX, результатів, досягнутих DAMA не бачили. Також перешкоджав той факт, що були оприлюднені лише результати остаточного аналізу від DAMA, що не давало змогу фізикам довести або спростувати альтернативні джерела модуляції. Так, наприклад, деякі вчені вважають, що отримані сигнали насправді є похибкою через вплив гелію на фотопримножувачі. Тобто вони не сумніваються у тому, що якісь сигнали в італійській печері все ж були, однак варто довести, що вони належать саме вімпам.

Встановлення детекторів на DAMA / LIBRA / LNGS-INFN

Встановлення детекторів на DAMA / LIBRA / LNGS-INFN

Як працює детектор?

В експерименті DAMA / LIBRA вчені використовували йодид натрію з додаванням талію як речовину, що відреагує світловим спалахом внаслідок дії на неї йонізуючих частинок і променів — сцинтилятор. Так всякий раз, як частинка темної матерії стикатиметься з ядром атома в матеріалі мішені детектора, виникне крихітний спалах світла, який вловить фотопомножувач та перетворить на електричний сигнал. Кожен сцинтилятор — це кристалічний стрижень масою близько 10 кілограмів. DAMA / LIBRA до речі збільшила його до 250 кілограмів. Звісно, можуть бути і помилкові сигнали від радіоактивних ізотопів та космічних променів. Тому детектори ізолюють у мідь та радіочисті матеріали, де активність торію, урану або калію не перевищує рівня ¹⁰⁻⁶ бекерелей на кілограм.

Чому ANAIS може спростувати дані експерименту?

На детекторі ANAIS, розміщеному в підземній лабораторії Канфранк глибоко під Піренеями на півночі Іспанії використовували такий самий метод, як і вчені DAMA / LIBRA. Тут варто повернутися до того, що ми говорили про попередні експерименти — у них сцинтиляторами виступали інші речовини (наприклад, ксенон, як у XENON1T). А ми не знаємо, чи однаково взаємодіятимуть вімпи з різними матеріалами, тому для перевірки результатів DAMA / LIBRA вчені й обрали детектор на основі йодиду натрію.

Свої пошуки вімпів ANAIS розпочав у 2017 році на глибині 800 метрів з 112,5 кілограма йодиду натрію у детекторі. Експеримент точно повторює DAMA / LIBRA, однак за словами вчених, вони змінили підхід до аналізу. Фізики шукали не середнє значення фону з усього масиву даних, яке зростало або спадало за рік, а фіксували інформацію про всі зареєстровані протягом трьох років події. Їхня ефективність і вірогідність в ході експерименту перевірялася кожні два тижні за допомогою калібрування зовнішнім джерелом.

Схема детектора ANAIS. Julio Amaré et al. / arxiv.org, 2021

Схема детектора ANAIS. Julio Amaré et al. / arxiv.org, 2021

Що вони побачили?

З усіх сигналів, за вімпи можна прийняти лише той, що спостерігався за низьких енергій, був одиничним (single hit event), тобто спрацював лише один детектор, та змінювався строго за синусоїдальним законом з періодом рівно один рік та максимумами приблизно 2 червня. У результатах DAMA середня фонова швидкість за кожен рік віднімається з необроблених даних за цей повний рік, однак повільно зростаючий фон також здатний виробляти потрібну модуляцію, що на DAMA інтерпретують як свідчення вімпів.

Отримані сигнали на ANAIS не вказують на річні коливання темпів реєстрації частинок зі статистичною точністю в 3,3 сигми в енергетичному діапазоні від 1 до 6 кілоелектронвольт та 2,6 сигми між 2 і 6 кілоелектронвольт. Це зі зі статистичною точністю 2,5 та 2,7 сигми суперечить результатам DAMA для відповідних енергетичних діапазонів. Так вони не змогли відтворити, а відповідно і підтвердити результат італійського експерименту, але їхні дані чудово узгоджуються з першими результатами, опублікованими колаборацією COSINE-100 в 2019 році, яка з таким ж детектором на основі йодиду натрію не виявила слідів щорічної модуляції.

бекерелей
одиниця вимірювання радіоактивності речовини