Стерильные нейтрино, аксионы и темные фотоны: как MAJORANA DEMONSTRATOR охотится на темную материю

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com

Вселенная полна тайн, и одна из самых больших — это темная материя. Мы знаем, что она существует, потому что видим ее гравитационное воздействие на звезды и галактики. Но что это такое? Ученые десятилетиями бьются над этой загадкой, предлагая все новые и новые гипотезы.

Темный фотон, проходящий сквозь детектор MAJORANA DEMONSTRATOR (вольная интерпретация)
Темный фотон, проходящий сквозь детектор MAJORANA DEMONSTRATOR (вольная интерпретация)
Автор: Designer

Проект MAJORANA DEMONSTRATOR, с его уникальным набором сверхчувствительных детекторов, вступил в эту гонку за разгадкой тайны темной материи. Изучая сверхслабые сигналы, ученые пытаются поймать неуловимую частицу темной материи, словно рыболовы, закидывающие свои сети в неизведанные глубины космоса.

Вместо привычных нам атомов, из которых состоит все вокруг, темная материя, скорее всего, состоит из экзотических частиц, которые практически не взаимодействуют с обычным веществом. Именно поэтому ее так сложно обнаружить.

MAJORANA DEMONSTRATOR использует германиевые детекторы, настолько чистые, что даже мельчайшие взаимодействия с темной материей могут быть зарегистрированы. Ученые ищут «отпечатки» темной материи в виде слабых сигналов, возникающих при ее взаимодействии с атомами германия.

Энергетические спектры MAJORANA  enr Ge  (красный) и  nat Ge  (черный) детекторы, 1-100 кэВ. Спектр в  nat Ge  ниже 20 кэВ преобладает тритий. Более низкие уровни трития,  55 Fe ,  65 Zn ,  68 Ge  показывают, что ограничение облучения поверхности  enr Ge  значительно снизило космогенную активацию.
Энергетические спектры MAJORANA enr Ge (красный) и nat Ge (черный) детекторы, 1-100 кэВ. Спектр в nat Ge ниже 20 кэВ преобладает тритий. Более низкие уровни трития, 55 Fe, 65 Zn, 68 Ge показывают, что ограничение облучения поверхности enr Ge значительно снизило космогенную активацию.
Автор: I. J. Arnquist et al. (Majorana Collaboration) Phys. Rev. Lett. 132, 041001 — Published 23 January 2024 https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.041001 CC-BY 4.0 Источник: journals.aps.org

На охоте за стерильными нейтрино:

Одна из гипотез предполагает, что темная материя состоит из стерильных нейтрино — гипотетических частиц, похожих на обычные нейтрино, но взаимодействующих с нашим миром еще слабее. MAJORANA DEMONSTRATOR ищет следы превращения стерильных нейтрино в обычные, используя эффект, называемый «переходным магнитным моментом».

Пример подгонки спектра и расчет 90-процентного верхнего предела для редкого пика при 10,8 кэВ. A   210 Pb   допускается, но не наблюдается при этой энергии. Верхний предел получен из теста отношения правдоподобия профиля.
Пример подгонки спектра и расчет 90-процентного верхнего предела для редкого пика при 10,8 кэВ. A 210 Pb допускается, но не наблюдается при этой энергии. Верхний предел получен из теста отношения правдоподобия профиля.
Автор: I. J. Arnquist et al. (Majorana Collaboration) Phys. Rev. Lett. 132, 041001 — Published 23 January 2024 https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.041001 CC-BY 4.0 Источник: journals.aps.org
90-процентное ограничение на магнитный момент перехода стерильного нейтрино  μ s a  (красная кривая, в единицах магнетона Бора  μ B ) через атомную ионизацию от MAJORANA (красная), предполагая стерильный нейтринный ДМ.
90-процентное ограничение на магнитный момент перехода стерильного нейтрино μ s a (красная кривая, в единицах магнетона Бора μ B ) через атомную ионизацию от MAJORANA (красная), предполагая стерильный нейтринный ДМ.
Автор: I. J. Arnquist et al. (Majorana Collaboration) Phys. Rev. Lett. 132, 041001 — Published 23 January 2024 https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.041001 CC-BY 4.0 Источник: journals.aps.org

Фермионная темная материя:

Другая гипотеза предполагает, что темная материя состоит из фермионов — частиц с полуцелым спином, которые могут взаимодействовать с обычным веществом через обмен особыми бозонами-посредниками. MAJORANA DEMONSTRATOR ищет следы поглощения таких фермионов атомами германия, а также следы их столкновений с ядрами атомов, которые могут приводить к образованию новых частиц.

Вверху: 90% предел исключения для  χ + A → ν + A  фермионный процесс поглощения ДМ. Форм-фактор Гельма для Ge определяет общую форму кривой и содержит полюс, который создает пикоподобную структуру при 174 МэВ. Внизу: 90-процентный предел исключения для неупругого рассеяния ДМ на ядре 3-2  χ + χ + A → ϕ + A .  ξ = 0  это конечное состояние безмассового темного фотона и  ξ = 1.87  связанное конечное состояние.
Вверху: 90% предел исключения для χ + A → ν + A фермионный процесс поглощения ДМ. Форм-фактор Гельма для Ge определяет общую форму кривой и содержит полюс, который создает пикоподобную структуру при 174 МэВ. Внизу: 90-процентный предел исключения для неупругого рассеяния ДМ на ядре 3-2 χ + χ + A → ϕ + A. ξ = 0 это конечное состояние безмассового темного фотона и ξ = 1.87 связанное конечное состояние.
Автор: I. J. Arnquist et al. (Majorana Collaboration) Phys. Rev. Lett. 132, 041001 — Published 23 January 2024 https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.041001 CC-BY 4.0 Источник: journals.aps.org

Темная материя из трех частиц:

Еще одна интригующая гипотеза предполагает, что темная материя состоит из частиц, которые взаимодействуют с нашим миром только в группах по три. В этом случае MAJORANA DEMONSTRATOR ищет следы столкновения трех частиц темной материи с ядром атома, что может привести к образованию новой частицы и отдачи ядра.

Три частицы темной материи (вольная интерпретация)
Три частицы темной материи (вольная интерпретация)
Автор: Designer

Невидимый свет Вселенной:

MAJORANA DEMONSTRATOR также ищет следы аксионоподобных частиц и темных фотонов — гипотетических частиц, которые могут быть кандидатами на роль темной материи. Аксионоподобные частицы похожи на аксионы, гипотетические частицы, которые могли бы объяснить некоторые свойства сильного взаимодействия. Темные фотоны же похожи на обычные фотоны, но не взаимодействуют с электромагнитным полем.

Вверху: 90%-ные пределы исключения C.L. для псевдоскалярной (аксионоподобной) бозонической темной материи. Результат MAJORANA (красный) является лучшим пределом для любого эксперимента Ge с использованием увеличенной экспозиции и уменьшением энергетического порога в 5 раз по сравнению с предыдущим анализом. Внизу: 90-процентные пределы исключения для векторной бозонной (темно-фотонной) темной материи, превосходящие астрофизические пределы от RG-звезд в верхнем и нижнем диапазоне масс.
Вверху: 90%-ные пределы исключения C.L. для псевдоскалярной (аксионоподобной) бозонической темной материи. Результат MAJORANA (красный) является лучшим пределом для любого эксперимента Ge с использованием увеличенной экспозиции и уменьшением энергетического порога в 5 раз по сравнению с предыдущим анализом. Внизу: 90-процентные пределы исключения для векторной бозонной (темно-фотонной) темной материи, превосходящие астрофизические пределы от RG-звезд в верхнем и нижнем диапазоне масс.
Автор: I. J. Arnquist et al. (Majorana Collaboration) Phys. Rev. Lett. 132, 041001 — Published 23 January 2024 https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.041001 CC-BY 4.0 Источник: journals.aps.org

MAJORANA DEMONSTRATOR — это настоящий первопроходец в исследовании темной материи. Он позволяет заглянуть в неизведанные области физики и приблизиться к разгадке одной из самых больших тайн Вселенной. И кто знает, какие еще открытия ждут нас в этих увлекательных поисках?

Почему ученые уверены, что темная материя существует, если ее никто никогда не видел?

Мы не можем видеть темную материю напрямую, но наблюдаем ее гравитационное влияние на видимую материю. Галактики вращаются быстрее, чем должны, если учитывать только видимую материю. Это указывает на присутствие дополнительной массы, которая не излучает свет — темной материи.

Если существует так много гипотез о природе темной материи, как ученые выбирают, какие из них проверять?

Выбор гипотез для проверки основан на различных факторах, таких как теоретическая обоснованность, предсказания, которые можно экспериментально проверить, и возможность обнаружения сигнала с помощью существующих технологий.

Стерильный нейтрино (вольная интерпретация)
Стерильный нейтрино (вольная интерпретация)
Автор: Designer
Может ли оказаться, что темной материи вовсе не существует, а наши теории гравитации просто несовершенны?

Это возможно, но маловероятно. Модифицированные теории гравитации, пытающиеся объяснить наблюдения без темной материи, часто сталкиваются с трудностями при объяснении всех наблюдаемых явлений.

Если MAJORANA DEMONSTRATOR обнаружит темную материю, что это изменит в нашей жизни?

Открытие темной материи станет революцией в физике и космологии. Оно поможет нам лучше понять эволюцию Вселенной, природу гравитации и, возможно, даже разработать новые технологии.

Какие еще эксперименты, помимо MAJORANA DEMONSTRATOR, занимаются поиском темной материи?

Существует множество экспериментов по поиску темной материи, использующих разные методы детектирования. Например, XENON, PandaX, LUX-ZEPLIN ищут столкновения темной материи с атомами ксенона, а SuperCDMS — с атомами кремния и германия.

2 комментария

a
Обычные нейтрино ловят в очень больших детекторах, и то по несколько событий в год. То есть стерильные нейтрино эти товарищи не поймают никогда даже случайно. Остальные частицы — штука мутная и сильно зависит от модели, в которой они предсказываются. И надо смотреть на расчеты сечений процессов с нормальным веществом.
1
Это неправда. Реакторных нейтрино очень много и для их детектировпния не нужны большие детекторы.
В воде проще использовать эффект Черенкова. Не нужны и сечения процессов с обычным веществом. Так как возможно только гравитационное взаимодействие

Добавить комментарий

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Украли телефон — что будет с почтой, облаком и Госуслугами и как подготовиться заранее

Новая SIM-карта вернёт номер, но не вернёт ваши аккаунты. Что лежит в телефоне, о чём забывают и что настроить за один вечер, пока он ещё у вас.

Вагоны ледники: как перевозили скоропорт в поездах до появления рефрижераторов

До того как в железнодорожном транспорте появились вагоны с машинным охлаждением, единственным способом доставить скоропортящиеся продукты на большие расстояния были вагоны ледники. Это целая...

Зарядка 65 Вт с микроплаты: обзор модуля на микросхеме XPM52C

Для самодельных конструкций часто нужно добавить порт для зарядки смартфона. Быстрая зарядка гаджетов теперь обыденность. Сегодня рассмотри зарядный модуль под внешнее питание, который обеспечивает...

Велосипеды моего детства из СССР: личный опыт

Все началось с детского трехколесного велосипеда под названием «Ветерок». Это был не просто велик, а, согласно заводского наименования, ДКВ-2: «детский комбинированный велосипед». Любопытно: эту...

В 1841 году на Теннесси обрушился дождь из плоти и «крови»: почему ученые до сих пор не могут до конца объяснить эту аномалию

Сообщения о том, что с неба падают куски сырого мяса или льется вода красного цвета, встречаются в исторических документах на протяжении нескольких тысяч лет. О таких случаях писали авторы...

Новый остров появился из моря в 1963 году — учёные до сих пор наблюдают, как жизнь заселяет его с нуля

Утром 14 ноября 1963 года рыбаки к югу от Исландии заметили над морем тёмный столб дыма. Гореть там было нечему. Источник находился под водой: на глубине около 130 метров началось...