Подземный детектор внезапно атаковали вимпы

Сотрудники американской коллаборации CDMS объявили о том, что их детекторам удалось зафиксировать следы существования вимпов — частиц, из которых в основном и состоит темная материя. Статистическая достоверность данного эксперимента весьма высока — она составляет 99,81 процента. Однако другие физики сомневаются в том, что был пойман именно вимп — слишком уж легкой оказалась найденная частица.

Не успело мировое научное сообщество отпраздновать обнаружение доказательств существование фермионов Майораны, которые, как предполагают физики, являются кандидатами на роль частиц темной материи, как появилось сообщение о достоверном обнаружении вимпов — других частиц этой загадочной субстанции. Сотрудники коллаборации CDMS (Cryogenic Dark Matter Search — то есть "криогенный поиск темной материи"), детекторы которой находятся в шахте "Судан" в штате Миннесота (США), заявили о том, что вероятность обнаружения ими вимпов в последней серии экспериментов составляет три сигмы (на обычном языке это означает 99,81процента).

Хотя существование вимпов было предсказано достаточно давно, однако ученые до сих пор практически ничего не знают о том, что представляют собой эти частицы. Эксперименты, проведенные ранее теми же сотрудниками CDMS показали, что они обладают массой, и, причем, не маленькой — от 30 до 100 ГэВ (для сравнения — масса электрона составляет примерно 0, 51 МэВ). Кроме того про вимпы известно то, что эти частицы из всех четырех типов взаимодействий участвуют только лишь в слабом и гравитационном. Именно поэтому их так нелегко обнаружить при помощи даже самых современных приборов.

Одним словом, данные частицы полностью оправдывают данное им учеными название — ведь слово "вимп" является сокращением от "Weakly Interacting Massive Particle", что означает "слабо взаимодействующая массивная частица". Но как же в таком случае можно их зарегистрировать? Легче всего это сделать косвенным путем. Один из них заключается в следующим — известно, что большинство вимпов пролетая сквозь Солнце, не взаимодействуя с его веществом. Однако, если данная частица рассеивается на одном из ядер внутри Солнца, она может уменьшить скорость и остаться в гравитационном поле нашей звезды.

Таким образом, постепенно накапливаясь в этой гравитационной потенциальной яме, вимпы концентрируются, в результате чего начинается процесс их аннигиляции. В результате образуются нейтрино, обладающие достаточно высокой энергией. Они без всяких препятствий покидают центр Солнца и направляются во все стороны, в том числе и к нашей планете, Ну, а на Земле эти нейтрино могут быть обнаружены с помощью специальных детекторов.

Однако некоторые физики уверены в том, что вимпы можно обнаружить и в результате прямого эксперимента, Именно этим уже несколько лет занимаются сотрудники вышеупомянутой коллаборации CDMS. Сама лаборатория представляет собой камеру, находящуюся глубоко в шахте, в которой имеется нескольких стоек из кремниевых и германиевых дисков. Их содержат при температуре всего в 0,04 градуса выше абсолютного нуля. Это нужно для того, что бы защитить данные приборы от так называемого внешнего фона (например, попаданий на них нейтрино из космических лучей или радиоактивных частиц).

На поверхности каждого из этих дисков находится два детектора, один из которых регистрирует очень слабые звуковые колебания. Предполагается, что они возникают тогда, когда частицы темной материи сталкиваются с ядрами атомов кремния или германия. Второй детектор измеряет заряд частиц, которые выбиваются из ядра при таких взаимодействиях. На основе этих данных ученые подсчитывают такой параметр, как ядерное сечение реакции (величину, характеризующая вероятность взаимодействия частицы с ядром), Зная ее, можно определить, какая именно частица столкнулась в данный момент с атомным ядром германия или кремния.

И вот несколько дней назад, когда сотрудники коллаборации CDMS проверили значения нижнего диапазона данных, полученных от кремниевых детекторов, они обнаружили следы трех столкновений вимпов с ядрами обычных атомов. Ожидаемое количество таких событий в случае, если бы они были шумом, равно 0,7 сигма. Однако после проведения расчетов было установлено, что значение этого вероятностного показателя все-таки равно трем. И хотя для того, что бы уверенно заявлять о долгожданном обнаружении вимпов требуется значение в пять сигма (как это было, например, в истории с бозоном Хиггса), но и три сигма — это уже крупное достижение. Можно сказать, что вимп практически был пойман кремниевым детектором CDMS-II.

Впрочем, коллеги сотрудников коллаборации пока не спешат разделить их восторгов. Дело в том, что масса "пойманной" детектором CDMS-II частицы составляет 8,6 ГэВ, то есть для вимпа она является слишком легкой. В качестве контраргумента приводятся последние данные магнитного альфа-спектрометра, установленного на МКС, который обнаружил вимпы с массой в районе 250 ГэВ, Эта картина устраивала всех с теоретической точки зрения, ведь согласно расчетам данная частица должна быть в сотни раз тяжелее протона (его масса составляет примерно 938,2 МэВ), Впрочем, статистическая значимость результатов эксперимента на МКС была недостаточной, поэтому и в данном случае сложно сказать, что именно там обнаружил детектор.

Однако струдники CDMS приводят в качестве контраргумента данные о другом эксперименте (коллаборации CoGeNT) в результате которого детектором были "пойманы" вимпы с массой в районе 7-11 ГэВ, О существовании подобных "легких" вимпов свидетельствуют также некоторые интерпретации гамма-излучения, получаемого космическим гамма-телескопом "Ферми" от центра нашей Галактики. Все это, по мнению ученых из CDMS, говорит о том, что существование вимпа с массой менее, чем в 30 ГэВ (теоретический нижний предел для данной частицы) вполне возможно, И если это действительно так, то детектор CDMS-II обнаружил именно загадочные составляющие темной материи, а ничто иное…

Антон Евсеев