Тень за атомом: NEON раскрывает новые свойства легкой темной материи

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

Темная материя — это своего рода великая загадка современной физики. Мы знаем, что она есть, ведь ее гравитационное влияние ощущается повсюду, от движения галактик до формирования космических структур. Однако из чего она состоит — остается тайной за семью печатями. Ученые по всему миру, как неутомимые детективы, ищут ее следы, исследуя различные гипотетические частицы. Один из таких многообещающих кандидатов — легкая темная материя (ЛТМ).

Почему «легкая»?

Представьте себе темную материю как целый зоопарк экзотических частиц. Некоторые из них, по теориям, могут быть довольно тяжелыми, другие, наоборот, очень легкими. ЛТМ, как можно догадаться из названия, относится к последним. Ее масса, как предполагается, может быть в диапазоне от килоэлектронвольт (кэВ) до мегаэлектронвольт (МэВ) — это значительно меньше, чем, например, масса протона.

Иллюстрация
Автор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3 Источник: www.bing.com

Слабые связи, сильные поиски

Проблема в том, что ЛТМ, скорее всего, очень слабо взаимодействует с обычной материей. Это как пытаться поймать неуловимый призрак, который едва касается нашего мира. Но физики не привыкли сдаваться. Коллаборация NEON (Neutrino Elastic Scattering Observation with NaI), например, использует для поиска ЛТМ весьма необычное место — ядерный реактор. Почему именно там?

Показаны энергетические спектры для периодов включения реактора (слева) и выключения реактора (справа), объединяющие данные с пяти детекторных модулей NEON. Спектры охватывают диапазон энергий от 1 до 60 кэВ. Оба спектра моделировались одновременно, с учетом ожидаемых фоновых составляющих, чтобы точно отразить условия эксперимента. Различия в показателях фона между условиями включения и выключения реактора в основном объясняются сезонными колебаниями уровня радона. Цитирование: J. J. Choi et al. (NEON Collaboration) Phys. Rev. Lett. 134, 021802 DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.021802
Автор: J. J. Choi et al. (NEON Collaboration) Источник: journals.aps.org

Реактор — источник «темного» света

Ядерные реакторы — это не только источники энергии, но и мощные генераторы фотонов высоких энергий. По теории, эти фотоны могут превращаться в так называемые темные фотоны — гипотетические частицы, которые, в свою очередь, могут распадаться на частицы ЛТМ. Это как если бы в темноте вдруг вспыхнул слабый свет, указывающий на присутствие призрака.

Команда NEON разместила высокочувствительный детектор рядом с ядерным реактором Ханбит в Южной Корее. Этот детектор, подобно ловцу снов, должен был уловить даже самые слабые сигналы, которые могли бы свидетельствовать о взаимодействии ЛТМ с электронами. В течение 1,2 лет ученые терпеливо собирали данные.

Показан комбинированный энергетический спектр (черные точки) от пяти модулей детектора NEON, а также ожидаемый фон (фиолетовая сплошная линия) и полосы систематической неопределенности ±1 σ и ±2 σ. Для сравнения были получены три эталонных сигнала, предполагающих m A ′ = 3 m χ и g χ = 1 для невидимого канала распада, соответствующие массам LDM 10 (пунктирная линия), 100 (пунктирная линия) и 1000 кэВ / c 2 (пунктирная линия). Цитирование: J. J. Choi et al. (NEON Collaboration) Phys. Rev. Lett. 134, 021802 DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.021802 — Показан комбинированный энергетический спектр (черные точки) от пяти модулей детектора NEON, а также ожидаемый фон (фиолетовая сплошная линия) и полосы систематической неопределенности +-1 σ и +-2 σ. Для сравнения были получены три эталонных сигнала, предполагающих m A ′ = 3 m χ и g χ = 1 для невидимого канала распада, соответствующие массам LDM 10 (пунктирная линия), 100 (пунктирная линия) и 1000 кэВ / c 2 (пунктирная линия). Цитирование: J. J. Choi et al. (NEON Collaboration) Phys. Rev. Lett. 134, 021802 DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.021802
Автор: J. J. Choi et al. (NEON Collaboration) Источник: journals.aps.org

Новые горизонты, новые ограничения

Что же удалось выяснить? Ожидаемо, прямого «захвата» призрака не произошло. Однако ученые смогли установить новые ограничения на то, насколько сильно ЛТМ может взаимодействовать с электронами. В особенности это касается частиц с массой около 100 кэВ. В этом диапазоне NEON улучшил предыдущие результаты в тысячу раз. Более того, впервые были установлены ограничения на массы ниже этой отметки. Это как проложить новую тропинку в неизведанной местности, даже если в конце нее не нашли сокровище.

Эксперимент NEON показал, что ядерные реакторы могут быть не только источником энергии, но и ценным инструментом для поиска темной материи. Это как если бы обычный кухонный нож вдруг оказался полезным для проведения тончайших хирургических операций. Теперь ученые планируют усовершенствовать свой детектор, чтобы исследовать еще более легкие частицы и еще более слабые взаимодействия.

За горизонтом — целая вселенная

Поиск темной материи — это не просто научный эксперимент, это попытка понять фундаментальные законы Вселенной. Каждое новое ограничение, каждое уточнение параметров приближает нас к разгадке этой великой тайны. Работа NEON — лишь один из шагов на этом пути, но, как известно, даже самый долгий путь начинается с первого шага. Может быть, именно с помощью таких исследований, как это, мы когда-нибудь наконец-то сможем увидеть этот «призрак» воочию.