Темная материя — одна из самых сложных загадок современной космологии. С одной стороны, астрономы собрали множество подтверждающих доказательств с помощью статистики кластеризации галактик, гравитационного линзирования и флуктуаций космического микроволнового фона, с другой стороны, в стандартной модели физики элементарных частиц нет частиц, которые могли бы объяснить темную материю. и мы не смогли обнаружить его эффект локально. Это надежная теория, которую мы просто не можем полностью сформулировать. Обычно это означает, что мы находимся всего лишь в шаге от подтверждения или опровержения темной материи. Хорошей новостью является то, что существует несколько проектов по поиску темной материи, и один из них, Нейтринная обсерватория IceCube, только что опубликовал новый результат.
Будучи нейтринной обсерваторией, IceCube не может напрямую обнаруживать темную материю, но может обнаруживать локальные эффекты темной материи, которые производят нейтрино. Одна из основных моделей частиц темной материи состоит из массивных частиц, которые взаимодействуют в основном друг с другом и слабо с частицами обычной материи. Эти слабо взаимодействующие массивные частицы или вимпы могут скрываться в ядре Земли.
Если модель вимпов верна, то когда темная материя сталкивается с массивным объектом, таким как планета или звезда, столкновения с плотной обычной материей должны замедлять ее, в результате чего некоторые вимпы оказываются в гравитационной ловушке внутри тела. Эти вимпы время от времени сталкивались друг с другом, вызывая распад частиц, производящих нейтрино. Это означает, что из центра Земли должен быть избыток нейтрино, которые IceCube мог бы обнаружить.
В этом исследовании команда изучила данные IceCube за десятилетие и не обнаружила никаких свидетельств избытка нейтрино. Учитывая энергетическое сечение детекторов IceCube, это эффективно исключает вимпы с массой более 100 ГэВ или чуть более 100 масс протонов. Этот результат согласуется с другими исследованиями, которые также исключают вимпы большой массы. Частицы темной материи с меньшей массой все еще возможны, но теперь у нас есть долгая история исключения кандидатов в темную материю.
Планируется модернизировать IceCube, чтобы повысить его чувствительность, и это позволит проводить дальнейшие исследования темной материи в поисках вимпов с меньшей массой. Это могло бы позволить нам, наконец, обнаружить темную материю локально, но у нас быстро заканчиваются варианты. На данный момент мы исключили несколько кандидатов на темную материю, и, возможно, нам придется рассмотреть альтернативы, такие как модифицированная гравитация. Но это история для другого раза.
Ссылка: Ренци, Джованни и Хуан А. Агилар. «Поиск аннигиляций темной материи в центре Земли с помощью IceCube». Препринт arXiv arXiv:2308.02920 (2023).
