Успехи экспериментов DAMA по поиску темной материи снова не повторили

Аналогично итальянским коллегам, а они использовали йодид натрия, чтобы зафиксировать слабовзаимодействующие массивные частицы, вимпы, так и не удалось увидеть ни одного сигнала за 1,7 года работу. Эксперимент продолжили, чтобы проверить увиденные DAMA годовые модуляции сигнала, сообщают исследователи в Science Advances. Астрономические наблюдения продолжают указывать на то, что Вселенная состоит в основном из так называемой темной материи. Темной в значении неизвестной, ведь она не фиксируется в ни в радиоволнах, ни в оптическом, рентгеновском, ни в любом другом излучении, но поведение «видимой» части Вселенной — планет, звезд, галактик — указывает, что на нее гравитационно влияет частицы. И на роль частиц, из которых состоит темная материя, физики предлагают несколько кандидатов, поисками которых занимается большое количество лабораторий.

Одними из таких частиц является слабовзаимодействующие массивные частицы — вимпы, которые теоретически в десятки или даже в сотни раз больше массы протона (массивные) и почти не проявляют себя при взаимодействии с обычным веществом (слабовзаимодействующим). Более о кандидатах на фундаментальные частицы-носители темной материи nauka.ua рассказывала в карточках «Что такое темная материя и темная энергия?».

Теория предполагает, что вимпы образуют огромное облако вокруг каждой галактики, в том числе и вокруг нашего Млечного Пути, поэтому мы обязательно проходим сквозь это облако и способны почувствовать встречный «вимповой ветер». Однако, несмотря на согласованные усилия многих коллабораций, до сих пор никаких убедительных свидетельств вимпов найти не удалось. Кроме как команде итальянского эксперимента DAMA.

Исследователи DAMA используют иной подход, чтобы попытаться обнаружить темную материю. В то время как другие установки ищут частицы темной материи или в столкновениях, или в изменениях фонового сигнала, DAMA искала годовые изменения сигналов своих детекторов в подземной лаборатории Гран-Сассо в Италии. По их мнению, годовые изменения сигнала свидетельствуют о встрече с «вимповим ветром», когда Земля займет лучшую для этого позицию — а именно в июне. То есть если июньских сигналов будет больше тех, что зафиксируют в декабре, это будет свидетельством вимпов.

Поэтому более 20 лет с 1990-х они приносили положительные результаты, повышая статистическую точность и улучшая чувствительность детекторов. Новый больший детектор DAMA / LIBRA продолжил фиксировать сигналы, а к 2018 году ученые достигли статистической точности своего результата до 13 сигмы. Впрочем, как и огромного количества критики со стороны других коллабораций.

Физики не сомневаются в том, что в итальянской пещере действительно фиксируют какие-то сигналы, однако они считают, что их могут неправильно интерпретировать. Дело в том, что с начала своей работы DAMA публиковали только окончательные годовые результаты, не показывая никаких промежуточных, в том числе и об условиях эксперимента. Поэтому некоторые ученые считают, что их успех может быть погрешностью из-за влияния гелия на фото приумножение.

Другие эксперименты, которые ищут вимпы, такие, как XENON1T в Италии и XMASS-I в Японии, также не смогли их найти, хотя показывали хорошую точность. И даже полная копия итальянского детектора — эксперимент в подземной лаборатории Канфранк глубоко под Пиренеями на севере Испании с детектором ANAIS, за три года так и не воспроизвел результаты DAMA / LIBRA. ANAIS также использовал детектор на основе йодида натрия, но при этом использовал другой подход к анализу данных. Подробнее о нем мы рассказывали в новости о результатах его работы.

Еще одним экспериментом, который пытается полностью воспроизвести условия DAMA / LIBRA является северокорейский COSINE-100 в подземной лаборатории Яньян на глубине 700 метров, результаты работы которого за 1,7 года опубликовали.

Эксперимент состоит из восьми низкофоновым кристаллов йодида натрия легированного таллием. Каждый кристалл связан с двумя фотоэлектронными умножителями. Вся мишень находится в 2200 литрах жидкого сцинтиллятора, который поможет увидеть сигналы, возникающие внутри или снаружи кристаллов. Фоновое загрязнение делится на четыре категории: внутреннее загрязнение, поверхностное загрязнение, внешние источники и космические лучи. Жидкий сцинтиллятор окружен медью, свинцом и пластиковыми сцинтилляторами для уменьшения фонового взноса от внешнего излучения, а также для маркировки и подавления событий, связанных с мюонами космических лучей.

Ученые представили результаты за период с 21 октября 2016 по 18 июля 2018 года. Эффективность отбора событий оценивается с помощью набора калибровочных данных. События классифицируются в соответствии с их энергией: от 1 до 70 килоэлектронвольт — низкоэнергетические и от 70 до 3000 килоэлектронвольт — высокоэнергетические. Для интерпретации данных DAMA / LIBRA и сравнение с данными COSINE-100, ученые используют наиболее подходящие значения эффективного взаимодействия вимпов с нейтронами и протонами.

Улучшенные требования к отбору событий, точнее понимание фона детектора и использования большего набора данных, которые значительно повысили чувствительность COSINE 100, показали, что не было ни одного сигнала, который отвечает взаимодействию с темной материей. Результаты этого анализа с накопленными за 1,7 года данным накладывают новые ограничения на поиск темной материи, однако для однозначного вывода ученые планируют продолжить эксперимент, чтобы сравнить данные годовой модуляции DAMA / LIBRA данным COSINE-100 за несколько лет.

Перевод материала nauka.ua