Поиски «тяжёлой» тёмной материи в очередной раз не дали результатов

9 ноября 2017

Крупнейший детектор «тяжелой» темной материи, XENON1T, не нашел следов ее существования, что сделало природу этой субстанции еще более загадочной для ученых, говорится в статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters.

«Эти результаты противоречат самым простым и элегантным теориям суперсимметрии, дополняющим Стандартную модель физики и объясняющим существование темной материи. Это не говорит о том, что таких частиц не существует в принципе, но заставляет нас задуматься об альтернативных объяснениях их природы», — заявил Дэн Хупер (Dan Hooper), физик-теоретик из Национальной ускорительной лаборатории Ферми в Батавии (США).

Достаточно долгое время ученые считали, что Вселенная состоит из той материи, которую мы видим, и которая составляет основу всех звезд, черных дыр, туманностей, скоплений пыли и планет. Но первые наблюдения за скоростью движения звезд в близлежащих к нам галактиках показали, что светила на их окраинах движутся в них с невозможно высокой скоростью, которая была примерно в 10 раз выше, чем показывали расчеты на базе масс всех светил в них.

Причиной этого, как сегодня считают ученые, была так называемая темная материя – загадочная субстанция, на чью долю приходится примерно 75% от массы материи во Вселенной. Как правило, в каждой галактике примерно в 8-10 раз больше темной материи, чем ее видимой «кузины», и эта темная материя удерживает звезды на месте и не дает им «разбежаться».

Сегодня почти все ученые уверены в существовании темной материи, однако ее свойства, помимо ее очевидного гравитационного влияния на галактики и скопления галактик, остаются загадкой и предметом споров среди астрофизиков и космологов. Достаточно долго ученые предполагали, что она сложена из сверхтяжелых и «холодных» частиц-»вимпов», никак не проявляющих себя, кроме как притягивая видимые скопления материи.

Подобные частицы сегодня ученые пытаются найти, используя гигантские подземные детекторы, заполненные абсолютно чистым ксеноном. Ядра атомов благородного газа, как считали раньше ученые, должны были взаимодействовать с «вимпами» особым образом, что можно было обнаружить, наблюдая за вспышками света, возникающими внутри сжиженного ксенона при столкновении его атомов с частицами темной материи.

За последние два десятилетия ученые создали около дюжины подобных детекторов со все большим объемом и массой, ни один из которых не смог зафиксировать следы взаимодействий ксенона с вимпами. Особые надежды возлагались на проект XENON1T – детектор, построенный в итальянской лаборатории Гран-Сассо в 2014 году и содержавший в себе рекордные 3,5 тонны ксенона, что примерно в 10 раз больше массы всех его конкурентов.

Первые результаты, полученные в ходе наблюдений на XENON1T в ноябре-декабре прошлого года, в очередной раз оказались «нулевыми» – команде из более ста физиков из 21 стран мира не удалось найти никаких значимых следов существования «вимпов» в очень широком диапазоне масс и энергий.

Эти замеры, как отмечают исследователи, исключают большую часть простых теорий суперсимметрии, одновременно объясняющих ряд феноменов за пределами Стандартной модели и то, почему темная материя существует.

Как подчеркивают ученые, подобные результаты не говорят о том, что темной материи не существует. Они всего лишь являются свидетельством того, что масса «вимпов» может быть гораздо более высокой, чем считали физики раньше, или же аргументом в пользу того, что темная материя может быть составлена из сверхлегких частиц, так называемых аксионов, или иметь более экзотическую природу.

Сейчас команда XENON1T проводит повторные наблюдения, которые, как надеются физики, или позволят найти подобные тяжелые частицы, или же укажут на то, что темная материя действительно имеет совершенно иную природу.

источник - http://www.atomic-energy.ru/news/2017/11/09/80726

Российские ученые поняли, как создать темную материю из нейтрино

Ученые из Института ядерных исследований РАН сформулировали новую физическую модель, которая позволяет создавать необходимое для исследований количество темной материи из нейтрино. Работа проходила в рамках проекта, поддержанного грантом Российского научного фонда, а ее результаты были опубликованы в журнале Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (JCAP) и представлены на конференции 6th International Conference on New Frontiers in Physics.

Темная материя составляет 25% от общей материи Вселенной, не испускает электромагнитного излучения и напрямую не взаимодействует с ним. О природе темной материи доподлинно ничего не известно, кроме того, что она может кластеризоваться – собираться в сгущения. Для описания темной материи астрофизики расширяют Стандартную модель физики частиц – устоявшуюся в теоретической физике теорию, которая описывает электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия. Сегодня ученые пришли к выводу, что эта модель не полностью описывает действительность, потому что не учитывает осцилляции нейтрино – превращения разных типов нейтрино друг в друга.

Нейтрино – это фундаментальные частицы, не имеющие электрического заряда (нейтральные). Нейтрино участвуют только в слабом и гравитационном взаимодействиях, потому что интенсивность их взаимодействия с чем-либо очень низкая. Нейтрино бывают «левыми» и «правыми». «Правыми» называются стерильные нейтрино, они, в отличие от других, не содержатся в Стандартной модели и не взаимодействуют с частицами – переносчиками фундаментальных взаимодействий природы (калибровочными бозонами). При этом стерильные нейтрино смешиваются с активными нейтрино, которые являются «левыми» частицами и присутствуют в Стандартной модели. К активным нейтрино относятся все виды нейтрино, кроме стерильных.

Ученые провели исследование спектральной линии рентгеновского диапазона, не так давно обнаруженной в излучении от целого ряда скоплений галактик. Эта линия соответствует фотонам с энергией 3,55 кэВ. Обычно это значило бы, что эти атомы излучают эти фотоны за счет перехода электрона с одного уровня на другой, однако, веществ с разницей перехода между уровнями 3,55 кэВ в природе не существует. Ученые предположили, что эта рентгеновская линия могла появиться из-за распада стерильного нейтрино на фотон и активное нейтрино. Так авторы определили, что масса стерильного нейтрино была равна примерно 7,1 кэВ. Для сравнения, масса протона составляет 938 272 кэВ.

Стерильные нейтрино могут быть обнаружены в таких наземных лабораториях, как «Троицк ню-масс» и KATRIN. Эти установки нацелены на поиск стерильных нейтрино с помощью радиоактивного распада трития («тяжелого» изотопа водорода 3H). На установке «Троицк ню-масс», находящейся в городе Троицк Московской области, получены самые сильные ограничения на квадрат угла смешивания. Угол смешивания – это безразмерная величина, которая характеризует амплитуду перехода нейтрино из одного состояния в другое. Измеряемой же величиной служит квадрат этого угла, так как он определяет вероятность перехода в единичном акте взаимодействия.

«В настоящей работе предложена модель, в которой осцилляции, то есть рождение, стерильных нейтрино начинаются не на ранних этапах эволюции Вселенной, а гораздо позже. Это приводит к тому, что стерильных нейтрино производится меньше, а, значит, угол смешивания может быть больше. Достигается это за счет изменений в скрытом секторе. Скрытый сектор модели состоит из стерильных нейтрино и скалярного поля. Скалярное поле отвечает за качественное изменение (фазовый переход) структуры сектора. Рождение стерильных нейтрино возможно только после этого фазового перехода. Поэтому в нашей модели стерильных нейтрино рождается меньше, что позволяет тем самым произвести нужное количество темной материи из стерильного нейтрино с массой порядка килоэлектронвольт с большим квадратом угла смешивания вплоть до 10^-3», — рассказал один из авторов статьи Антон Чудайкин, стажер-исследователь Института ядерных исследований РАН.

Как отмечают ученые, сама возможность производства нужного количества темной материи из нейтрино определенной массы представляет интерес с точки зрения космологии.

Дело в том, что ранее холодная темная материя, полностью состоящая из тяжелых и малоподвижных частиц, никак не препятствующих образованию карликовых галактик, хорошо описывала весь набор экспериментальных данных. С совершенствованием эксперимента выяснилось, что на самом деле таких галактик меньше, чем предполагалось. Это значит, что темная материя, вероятнее всего, не вся холодная, в ней есть примеси теплой темной материи, которая состоит из более быстрых и легких частиц. Получается, что теория и результаты исследований разошлись, и ученым нужно было объяснить, почему так произошло. Они сделали вывод, что в темной материи содержится небольшая доля легких стерильных нейтрино, которая и объясняет дефицит карликовых галактик-спутников.

Легкие стерильные нейтрино, однако, не могут составлять всю темную материю. Последние исследования в этой области говорят, что доля легкой компоненты в общей плотности темной материи сегодня не должна превышать 35%.

«Полученный в будущем положительный сигнал с любой из этих установок, возможно, будет аргументом в пользу предложенной модели, что приведет к качественно новому пониманию природы частиц темной материи во Вселенной», — заключил ученый.

Работа проходила в сотрудничестве с учеными из Московского физико-технического института и Манчестерского университета (Великобритания).

источник - http://www.atomic-energy.ru/news/2017/11/09/80737