Поиск темной материи: детекторы, результаты, планы на будущее

2014 год оказался плодотворным с точки зрения запуска новых детекторов элементарных частиц – возможно, в ближайшие годы ученым удастся «поймать» частицу темной материи

В 2014 г. были опубликованы результаты точных измерений параметров реликтового излучения, выполненные космической обсерваторией Планка. Они подтверждают предсказания так называемой ΛCDM-модели, согласно которой в космосе доминирует темная энергия (Λ) и холодная темная материя (CDM – cold dark matter). По данным обсерватории, 68,3% плотности энергии во Вселенной обусловлено темной энергией и 26,8% – темной материей.

Основные усилия по прямому поиску частиц темной материи сосредоточены на так называемых вимпах (от англ. WIMPs) – слабовзаимодействующих массивных частицах. Этот класс кандидатов на роль частицы холодной темной материи охватывает широкий диапазон масс от 1 ГэВ/с² до нескольких ТэВ/с². Однако определенные ожидания связаны и с кандидатами вне класса вимпов, а именно аксионами (очень легкими частицами), бозонными супер-вимпами (очень массивными частицами горячей темной материи) и т.д.

Прямое детектирование частиц темной материи основано на предположении о том, что эти частицы участвуют не только в гравитационном, но и в слабом взаимодействии с обычной материей, и следовательно присутствие вимпов в районе Солнца можно зафиксировать при помощи чувствительных наземных (или вернее подземных) детекторов. Так, в 2014 г. поступили первые научные результаты с недавно запущенных детекторов на жидком ксеноне – Большого подземного ксенонового детектора (LUX, США), находящегося на глубине более километра под землей, и PandaX-I (Китай) для вимпов с очень низкими массами, который располагается на глубине почти 2,5 км. Также опубликованы первые результаты, полученные детектором DarkSide-50 (Италия) на жидком аргоне. Наилучшая чувствительность достигнута в экспериментах LUX и XENON100, использующих жидкий ксенон, для масс вимпов от 6 ГэВ/с² до >10 ТэВ/с².

В целом 2014 г. не принес существенных сдвигов в прямом детектировании вимп-нуклеонных взаимодействий. Убедительных свидетельств обнаружения частицы темной материи пока не получено. Более того для спин-независимых взаимодействий произошло заметное сокращение числа «аномалий», т.е. ранее полученных результатов, которые могут быть интерпретированы как возможные случаи детектирования маломассивных вимпов, – они либо полностью исчезли, либо сильно снизилась их статистическая значимость.

Сейчас в мире функционируют десятки экспериментов по поиску темной материи, и в ближайшем будущем ожидается запуск новых детекторов с массами рабочего вещества, приближающимися к тонне (для сравнения «бак» детектора LUX содержит 340 кг жидкого ксенона). Эти проекты позволят улучшить чувствительность детектирования вимп-нуклеонных взаимодействий на 1-2 порядка по сравнению с сегодняшними экспериментами и, в конечном счете, пролить свет на одну из наиболее важных проблем в физике астрочастиц.

По: Dark Matter 2014 by Marc Schumann
arXiv:1501.01200 [astro-ph.CO]

Подготовила Алла Кобкова

: 30.07.2015