Охотьтесь за темной материей в хранилище на Нейтринной аллее.

Ученые из Окриджской национальной лаборатории попытались наблюдать темную материю в ярко освещенном подвальном коридоре, используя чувствительность своих детекторов нейтрино. Аллея нейтрино, где работает команда, расположена под источником нейтронов расщепления, мощным ускорителем частиц. После многих лет теоретических вычислений команда COHERENT приступила к наблюдению за темной материей, которая, как считается, составляет до 85% массы Вселенной. Эксперимент позволил команде по-новому расширить глобальный поиск темной материи, и они планируют получить более крупный и чувствительный детектор, чтобы повысить свои шансы на обнаружение частиц темной материи.

Немногие вещи обладают такой же аурой таинственности, как темная материя. Само название излучает тайну, предполагая что-то скрытое в тенях вселенной.

Вызвали совместную группу ученых последовательныйв том числе Кейт Шульберг, заслуженный профессор физики искусств и наук, Филип Барбо, адъюнкт-профессор физики, и исследователь с докторской степенью Дэниел Берчи, пытались вывести темную материю из теней Вселенной в менее гламурное место назначения: ярко освещенный , тесный подвальный коридор.

Но не обычный подвал. Работая в районе Ок-Риджской национальной лаборатории по прозвищу Нейтринная аллея, команда обычно фокусируется на субатомных частицах, называемых нейтрино. Они образуются, когда звезды умирают и становятся сверхновыми, или на уровне, близком к Земле, как побочный продукт столкновения протонов в ускорителях частиц.

Темная материя, невидимый материал, который составляет 85% материи Вселенной, не спрятана далеко между галактиками. Команда ученых пытается вывести ее из тени. Авторы и права: Рентген: NASA/CXO/Fabian et al. ; Радио: Gendron-Marsolais et al. ; NRAO/AUI/NSF Оптический: НАСА, SDSS

Не случайно Аллея нейтрино находится прямо под одним из самых мощных в мире ускорителей частиц, Oak Ridge. Расщепляющий источник нейтронов (SNS). В Нейтринной аллее находится коллекция детекторов, специально разработанных для наблюдения за нейтрино, когда они проходят мимо и сталкиваются с ними.

Однако нейтрино — не единственный побочный продукт процессов СНС. Темная материя (не путать с любимой антиматерией злодея) также образуется, когда ускорители частиц сталкиваются с протонами. После многих лет теоретических вычислений команда COHERENT решила использовать мощность SNS и чувствительность своих нейтринных детекторов для наблюдения за темной материей в Нейтринной аллее.

«И мы этого не видели», — говорит Шульберг. «Конечно, если бы мы это увидели, это было бы более захватывающим, но не увидеть это на самом деле большая проблема».

Она объяснила, что тот факт, что темная материя не была обнаружена ее детекторами нейтрино, позволяет ей улучшить теоретические модели того, как выглядит темная материя.

«Мы точно знаем, как отреагировал бы детектор темной материи, если бы темная материя обладала определенными свойствами, поэтому мы искали эту конкретную сигнатуру».

Кейт Шульберг, соавтор Грейсон Рич и Филип Барбо. Предоставлено: Лонг Ли/Университет Дьюка.

Рассматриваемый отпечаток пальца — это то, как ядра атомов в детекторе нейтрино отскакивают, когда сталкиваются с нейтрино или, в данном случае, с частицей темной материи.

«Это все равно, что бросать снаряды в шар для боулинга на куске льда», — сказал Берчи. Шары для боулинга, по его аналогии, — это атомы в детекторе нейтрино, которым в этом эксперименте был кристалл йодида цезия весом 14,6 кг. «Вы можете многое сказать о стропе и силе, которую вы бросаете, по тому, как высоко шар для боулинга отскакивает при контакте».

Когда дело доходит до темной материи, любая информация является хорошей информацией. Никто не знает, что это такое на самом деле. Почти 100 лет назад физики поняли, что Вселенная не могла бы вести себя так, как раньше, если бы все, что в ней содержалось, было тем, что мы могли бы видеть.

«Мы плаваем в море темной материи», — сказал Джейсон Ньюби, глава исследовательской группы нейтрино в Ок-Риджской национальной лаборатории и соавтор исследования. По общему мнению физиков, темная материя составляет 85% массы Вселенной. Он должен быть подвержен гравитации, чтобы объяснить поведение Вселенной, но он не взаимодействует ни с каким светом или электромагнитными волнами и кажется темным.

Джейсон Ньюби и его соавтор Юрий Ефременко несут с собой очень маленький детектор нейтрино из йодида цезия весом 14,6 кг, который использовался для поиска темной материи на Аллее нейтрино. Предоставлено: Женевьев Мартин/Национальная лаборатория Ок-Ридж, Министерство энергетики США.

«Мы узнали об этом, глядя на большие галактики, вращающиеся вокруг друг друга, и увидели, что они вращаются намного быстрее, чем должны, а это означает, что их масса больше, чем кажется», — сказал Бирчи. «Итак, мы знаем, что есть дополнительные вещи, нам просто нужно знать, где их искать».

«Несмотря на то, что большую часть времени мы не получаем результатов, очень важно, чтобы вы искали везде, и тогда вы можете исключить целый ряд возможностей и сосредоточиться на новой области со стратегией, а не просто использовать «спагетти на стене». подход, — сказал Ньюби.

Даниэль Берчи. Предоставлено: Университет Дьюка.

«Мы расширяем наши возможности для любых моделей темной материи, которые могут существовать, и это очень мощно», — сказал Шульберг.

И на этом достижение не заканчивается, отмечает она: эксперимент также позволил команде по-новому расширить глобальный поиск темной материи.

«Типичный метод обнаружения заключается в том, чтобы уйти под землю, построить очень чувствительный детектор и подождать, пока частицы темной материи не пройдут мимо», — сказал Берчи.

проблема? Частицы темной материи могут бесшумно перемещаться по воздуху. Если он также очень легкий, он может не достичь детектора с достаточной мощностью, чтобы создать распознаваемый отпечаток пальца.

Экспериментальная установка группы COHERENT решает эту проблему.

«Когда вы входите в ускоритель, вы производите эти частицы со значительно более высокой энергией», — сказал Берчи. Это дает им много сила тяжести поразить ядра и показать сигнал темной материи. «

И что теперь? Это не совсем возвращение к чертежной доске. В настоящее время Neutrino Alley готовится получить более крупный и чувствительный детектор, который, наряду с уточненными критериями поиска COHERENT, значительно повысит шансы поймать одну из этих демонических частиц.

«Мы находимся на пороге того, где должна быть темная материя», — сказал Бирчи.

Ссылка: «Первый зонд темной материи с субгигаэлектронвольтной энергией за пределами космологических предсказаний с использованием детектора COHERENT CsI в SNS» Д. Акимова и др. 3 февраля 2023 г. Физические обзорные письма.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.051803