Очень многое в науке основано на ограничениях. Если ученые чего-то не понимают, они стараются максимально ограничить это, чтобы более точные эксперименты могли, наконец, обнаружить предполагаемое явление. Темная материя в этом отношении чрезвычайно сложна, поскольку на данный момент она ускользает от обнаружения уже более столетия, несмотря на то, что даже более точные инструменты пытаются ее увидеть. Одним из таких инструментов является Super Cryogenic Dark Matter Search (SuperCDMS), которым управляет Национальная лаборатория SLAC и расположен в северной Миннесоте. Чтобы способствовать дальнейшему развитию этого дела, исследователи изучили данные эксперимента, рассматривая несколько новых возможностей, и, хотя они не нашли никаких доказательств существования темной материи, они помогли еще больше ужесточить ограничения.
SuperCDMS, как и большинство экспериментов по обнаружению темной материи, опирается на теорию темной материи, которая предполагает, что она тем или иным образом взаимодействует с обычной материей. Скорее всего, это взаимодействие примет форму некоего взаимодействия с ядром атома, с которым он сталкивается.
Когда темная материя сталкивается с атомом, есть две возможности того, что происходит. Во-первых, это «упругое столкновение», которое просто воспринимают как столкновение бильярдных шаров друг с другом, как отмечает Ной Куринский, сотрудник SLAC и автор-корреспондент новой статьи, описывающей это исследование. Данные SuperCDMS уже были тщательно изучены на предмет доказательств такого типа взаимодействий. Однако есть и другой вариант – «неупругое» столкновение.
При таком столкновении энергия передается не ядру атома, а его электронам или даже фотонам, если они присутствуют. И есть два основных способа потенциального возникновения такого столкновения.
Одно из них называется тормозным излучением, что в переводе с немецкого означает «тормозное излучение». В этом случае, хотя частица темной материи все равно столкнется с ядром, некоторая энергия будет передана непосредственно фотону. Тогда детекторы SuperCDMS смогут уловить возросшую энергию этого фотона и сделать вывод, что причиной этого могло быть неупругое столкновение темной материи.
Тормозное излучение экспериментально наблюдалось и раньше, но другой метод потенциальных неупругих столкновений, известный как эффект Мигдала, еще не наблюдался. В этом случае частица темной материи снова сталкивается с ядром, но само ядро смещается совсем незначительно, и облако электронов, окружающее его, тоже должно сместиться. Этот сдвиг теоретически должен быть обнаружен с помощью таких экспериментов, как SuperCDMS, и действительно, другие теоретики рассчитали, как этот сдвиг может выглядеть в эксперименте.
К сожалению, после повторного анализа данных, ранее собранных SuperCDMS, доктор Куринский и его коллеги не обнаружили никаких доказательств существования темной материи. Однако они добавили некоторые дополнительные ограничения, показав, что общая «масса» частицы темной материи (эквивалентная энергии в современной физике) составляет менее одной пятой массы протона.
Но они не остановились на этом. Другая причина, по которой детектор может не увидеть результаты, которые они ожидают на основе этих новых теорий взаимодействия, заключается в том, что частицы темной материи вообще не добираются до детектора и заранее поглощаются земной поверхностью или даже атмосферой. . Это помогло бы установить верхнюю границу минимального уровня массы темной материи, достигающей детектора.
Для проведения этого расчета физики сотрудничали с другой группой ученых, не слишком известных своим интересом к физике элементарных частиц, — геологами. Это сотрудничество позволяет физикам рассчитать, сколько энергии потеряет частица темной материи в зависимости от того, в каком направлении через Землю она пройдет. Расчеты показывают резкую разницу в потерях энергии, когда она прошла весь путь через Землю и ее ядро, чтобы достичь шахты в Миннесоте, где наконец находится SuperCDMS, и других частиц темной материи, которые могут прийти прямо над головой и встретить путь наименьшего сопротивления. в детектор.
Опять же, эти расчеты не выявили никаких явных доказательств темной материи, поэтому поиск продолжился. Однако они смогли сказать, что энергия темной материи должна быть ниже предела энергии, который позволил бы частицам (если это действительно то, что они собой представляют) пройти к детектору, даже самым прямым путем. Они также могут с уверенностью сказать, что если у него достаточно энергии, чтобы добраться до детектора, он должен иметь массу менее 1/5 протона.
Сейчас поиски продолжаются, и с каждым годом к ним присоединяются все новые и новые ученые. И поскольку с каждым годом в сеть вводится все больше и больше детекторов, возможно, есть какой-то намек на существование темной материи, скрывающийся в наборах данных других детекторов, которые только и ждут анализа с использованием этой новой структуры. Но до тех пор детали этого самого загадочного материала будут продолжать ускользать от нас.
Узнать больше:
SLAC – Новый анализ данных SuperCDMS устанавливает более жесткие пределы обнаружения темной материи
UT – Доказательства того, что темная материя состоит из аксионов
UT – Темная материя может взаимодействовать со Вселенной совершенно неожиданным образом
UT – Если темная материя является частицей, она должна проникнуть внутрь звезд красных гигантов и изменить их поведение
Ведущее изображение:
Схема расположения объекта SuperCDMS
Кредит – СЛАК
