Эксперимент LUX пока не обнаружил частицы темной материи

Рис. 1. Общая схема новой установки по поиску частиц темной материи LUX. Центральный бак содержит 370 кг жидкого ксенона, который является чувствительным веществом в этих поисках. Изображение с сайта lux.brown.edu

30 октября были объявлены первые результаты LUX — нового эксперимента по поиску частиц темной материи. Статистика, накопленная за три месяца работы, не дает никаких надежных указаний на частицы темной материи. Установленные LUX ограничения в несколько раз улучшают то, что было получено до сих пор.

Прямые поиски частиц темной материи

Астрофизические данные указывают на то, что во Вселенной помимо звезд, планет, газа и пыли есть много темной материи, которая исключительно слабо взаимодействует со «светлым» веществом. Она заполняет галактики и галактические скопления и состоит из частиц какого-то нового сорта, которым нет места в Стандартной модели. Ни массы, ни другие характеристики этих частиц достоверно не известны, хотя теорий на этот счет существует множество. Было бы здорово открыть эти новые частицы на Большом адронном коллайдере, но все попытки дают пока что отрицательные результаты.

В этой ситуации физикам остается лишь проводить эксперименты по поиску частиц темной материи в природе. Эти поиски бывают прямые и непрямые. Непрямые поиски — это попытки зарегистрировать какую-то необычную особенность в спектре фотонов большой энергии или космических лучей, приходящих к нам из глубокого космоса. Несмотря на некоторые интересные результаты, подтвержденных открытий здесь пока нет, и в этой новости мы непрямых поисков касаться не будем. Также темная материя в огромных количествах пролетает сквозь Землю. Если ее частицы могут как-то взаимодействовать с обычным веществом, то такие столкновения должны изредка происходить в земной толще. Прямые поиски частиц темной материи — это как раз попытки зарегистрировать хоть одно такое столкновение в лабораторных условиях, внутри специального подземного детектора.

Рис. 2. Частицы темной материи, пронзая детектор насквозь, изредка сталкиваются с ядрами рабочего вещества и передают им часть своей энергии. Чувствительные датчики могут уловить либо само энерговыделение, либо ионизацию атомов и вспышку света, к которым оно приводит. Рисунок из задачи Детектор частиц темной материи

Идея тут простая. Если частица темной материи сталкивается с ядром рабочего вещества детектора в каком-то атоме и упруго от него отскакивает, она передает ему некоторый импульс и энергию (рис. 2). С точки зрения детектора всё выглядит так, словно ядро резко толкнул кто-то невидимый. Это приводит к выделению небольшой энергии в детекторе, к ионизации атомов и к высвечиванию некоторой доли энергии в виде фотонов. Все эти проявления пытаются зарегистрировать датчики, установленные внутри емкости с рабочим веществом.

В отличие от детекторов в коллайдерных экспериментах, в которых события регистрируются многие тысячи раз в секунду, детекторы темной материи практически всё время «молчат» и только изредка срабатывают. И это совсем не потому, что частиц темной материи мало — их-то пролетает ежесекундно по несколько штук через каждый квадратный сантиметр земной поверхности. Просто Земля для частиц темной материи почти прозрачна. Поэтому столкновения частиц темной материи с веществом детектора должны происходить очень редко, и типичный эксперимент по их поиску заключается в том, чтобы сидеть и терпеливо ждать месяцы и годы, стараясь при этом свести на нет все посторонние шумы и ложные срабатывания детектора.

Три основных параметра детекторов частиц темной материи, которые можно улучшать, — это объем, радиационная чистота и чувствительность. С объемом всё ясно: чем больше в нем вещества, тем крупнее сам детектор, а значит, тем больше частиц темной материи могут сквозь него пролететь за год, а также тем с большим количеством атомов у них есть шанс столкнуться. Если первые эксперименты проводились с килограммовыми массами, то самые последние детекторы содержат уже сотни килограммов вещества, а через несколько лет будут запущены эксперименты тонных масштабов.

Однако с увеличением объема растет и количество фоновых событий, т.е. случаев срабатывания детектора, которые возникают по «земным» причинам и никак не связаны с пролетом частиц темной материи. Прежде всего, на работу детектора могут влиять частицы космических лучей, но от этого фона можно избавиться, если установить детектор глубоко под землей. Намного труднее устранить распад радиоактивных изотопов, которые в следовых количествах находятся внутри детектора. Его можно минимизировать только сверхвысокой очисткой вещества от нестабильных изотопов. При этом радиационно чистым должно быть не только рабочее тело детектора, но и все материалы, используемые в изолирующих стенках и в регистрирующей аппаратуре (см. некоторые подробности в новости Эксперимент DAMA по-прежнему «видит» частицы темной материи, «Элементы», 21.04.2008).

Наконец, от детекторов частиц темной материи требуется еще и высокая чувствительность и надежность разделения сигнала и фона. Это означает, что датчики должны уметь регистрировать очень небольшое энерговыделение где-то в толще рабочего вещества (т.е. порог срабатывания должен быть низким), а также уметь аккуратно измерять его характеристики, например ионизацию или слабенькую вспышку света. Это всё дополнительно поможет отделить фон от сигнала и, в случае регистрации нескольких событий, повысить надежность интерпретации этого сигнала как проявления темной материи.

Теоретические ожидания

Две главные характеристики, которые физики хотят узнать, зарегистрировав частицы темной материи, — это их масса и сечение взаимодействия с обычной материей. Обе величины помогут понять, откуда, из какой теории за пределами Стандартной модели эти частицы берутся. К сожалению, пока нет совершенно никаких экспериментальных указаний на то, в какой области лежат эти массы. Это могут быть и сверхлегкие частицы, даже легче нейтрино, это могут быть и умеренно легкие частицы, легче электрона, это могут быть тяжелые частицы с массами в десятки и сотни ГэВ, и даже сверхтяжелые, которые совершенно недоступны современным экспериментам. Столь же неопределенными являются оценки сечения взаимодействия; известно только, что оно маленькое, но вот насколько маленькое — непонятно.

Больше всего интереса вызывают здесь так называемые ВИМПы (WIMPs, weakly-interacting massive particles). Так называют гипотетические стабильные нейтральные частицы с массами в районе сотен ГэВ, которые чуть-чуть чувствуют слабое взаимодействие или связанные с ним явления и взаимодействуют с сечением порядка 10⁻⁴⁰÷10⁻⁴⁸ см². Многие современные теории Новой физики как раз предсказывают существование таких частиц. В частности, во многих популярных суперсимметричных моделях тоже есть кандидаты в темную материю с сечениями рассеяния порядка 10⁻⁴⁴÷10⁻⁴⁷ см². Конечно, это не железобетонное предсказание, его тоже можно избежать, но тогда суперсимметричные модели будут выглядеть не вполне естественно. Так или иначе, значения порядка 10⁻⁴⁵ см² (или 1 зептобарн) — это важный рубеж, за которым результаты поиска темной материи будут так же важны для суперсимметричных теорий, как и попытки напрямую родить эти частицы на коллайдере.

Краткая история поисков

Ситуация оживилась в 2000 году, когда эксперимент DAMA, размещенный в итальянской подземной лаборатории Gran Sasso, после обработки данных за несколько лет показал статистически значимое периодическое изменение количества событий. С течением времени статистика накапливалась, сигнал никуда не пропадал, а лишь становился всё отчетливее. Коллаборация настаивает на том, что ни на какие неучтенные погрешности ее списать нельзя, поэтому эта модуляция должна считаться первым указанием на регистрацию частиц темной материи. Ситуация по состоянию на 2008 год описана в новости Эксперимент DAMA по-прежнему «видит» частицы темной материи, «Элементы», 21.04.2008, и с тех пор она принципиально не изменилась (к 2013 году статистическая значимость сигнала уже превысила 9σ).

Рис. 3. Текущие эксперименты по поиску частиц темной материи. Изображение из доклада Direct WIMP searches: an update (PDF, 47 МБ) на конференции SUSY 2013

За последние несколько лет некоторые другие эксперименты по поиску частиц темной материи тоже объявили о положительном результате: это CoGeNT в 2010 году, CRESST в 2011 году и, наконец, CDMS полгода назад. Те области масс частиц и сечений взаимодействия, на которые указывают эти положительные результаты, показаны на рис. 4 и 5.

Рис. 4. Сводка результатов экспериментов по поиску частиц темной материи на диаграмме масс частиц и сечений их взаимодействия. Цветными пятнами показаны положительные результаты нескольких экспериментов. Линии указывают на ограничения сверху, установленные экспериментами с отрицательными результатами; область выше этих линий считается закрытой. Пятно, попадающее выше какой-то линии, а также непересекающиеся друг с другом цветные пятна указывают на то, что результаты этих экспериментов не согласуются друг с другом. Изображение с сайта www.preposterousuniverse.com

Несмотря на такой, казалось бы, позитивный сигнал все эти потенциально сенсационные результаты научное сообщество восприняло довольно прохладно. Причин тут несколько. Во-первых, ни один из этих результатов не является «железобетонным». Во всех случаях положительный результат вовсе не бросается в глаза, а является следствием тщательного анализа данных, отсева фона, устранения разнообразных погрешностей. К сожалению, опыт в физике элементарных частиц показывает, что, несмотря на все старания ученых, иногда в данных остаются незамеченными какие-то источники фона или систематических погрешностей. Во-вторых, было бы замечательно, если бы эти результаты указывали на какую-то одну область масс и сечений. Однако, пока выходит так, что эти положительные результаты не вполне согласуются друг с другом (см. рис. 4 и 5). И, наконец, кроме этих экспериментов существуют и поиски частиц темной материи, которые дали отрицательные результаты. Самым главным «игроком» здесь, пожалуй, является эксперимент XENON100, работающий со 100 кг жидкого ксенона. Их последние результаты просты: никаких указаний на частицы темной материи не видно. Эти данные позволяют закрыть значительную область параметров на диаграмме на рис. 5, включая все те значения, на которые намекают четыре упомянутых выше «положительных» эксперимента. Таким образом, ситуация совершенно запутывается и становится непонятно, каким именно из этих результатов стоит доверять.

Рис. 5. Сводка по состоянию на 2012 год результатов экспериментов по поиску частиц темной материи в области масс вплоть до 1 ТэВ. Обозначения те же, что и на рис. 4; цветные пятна внизу диаграммы показывают примерные области, в которых суперсимметричные модели предсказывают частицы темной материи. Изображение с сайта pdg.lbl.gov (PDF, 250 КБ)

Конечно, для теоретиков и это не является препятствием. Существуют модели темной материи, в которых взаимодействие существенно зависит от структуры ядра, с которым частицы сталкиваются. Эти модели позволяют ужиться друг с другом по крайней мере некоторым из результатов, но ценой, которую приходится за это платить, стовится некоторая неуклюжесть и даже противоестественность этих моделей. Так или иначе, никакого решения этой проблемы, удовлетворяющего большинство специалистов, пока не существует.

Детектор LUX

Пожалуй, единственный выход из этой ситуации — развитие технологий и дальнейшее усиление экспериментальных поисков темной материи разными методами. Самое многочисленное семейство здесь составляют детекторы, рабочим веществом которых являются сжиженные инертные газы, в основном аргон и ксенон. Массы рабочего тела достигают уже сотен килограммов и даже одной тонны; в ближайшие годы планируется поднять это значение до нескольких тонн. Некоторые из них уже начали набирать статистику, некоторые только заработают в 2014 году. Поэтому через пару лет стоит ожидать целого «урожая» новых результатов по поиску частиц темной материи.

С этим детекторами связаны большие надежды. Во-первых, они на один-два порядка улучшат ограничения эксперимента XENON100 и тем самым прояснят описанную выше запутанную ситуацию. Во-вторых, высокая чувствительность этих детекторов впервые позволит физикам спуститься ниже 10⁻⁴⁵ см². Это даст им полноценный шанс наконец-то почувствовать частицы темной материи, предсказываемые популярными суперсимметричными моделями (см. рис. 5). Как только детекторы темной материи выйдут в эту область, их результаты станут так же важны для суперсимметричных теорий, как и попытки напрямую родить эти частицы на коллайдере.

Первой ласточкой здесь стали результаты детектора LUX, обнародованные 30 октября. Название эксперимента расшифровывается просто: Large Underground Xenon, «Большой подземный ксеноновый» эксперимент. Этот детектор установлен на глубине полутора километров в шахте бывшего золотого рудника Хоумстейк, который сейчас является частью Подземного исследовательского центра в Санфорде в американском штате Южная Дакота. Рабочее тело эксперимента — емкость с 370 килограммами жидкого ксенона (см. рис. 1). Удобство использования ксенона связано не только с его химической инертностью, но и с тем, что он хорошо превращает «удар» по ядру в фотоны, а также с его естественной радиационной чистотой. Единственный нестабильный изотоп, ксенон-127, возникает в ксеноне при бомбардировке космическими лучами, но благодаря периоду полураспада в 32 дня его уровень сойдет на нет спустя год работы под землей. Кроме того, во время работы ксеноновых детекторов прошлого поколения был накоплен значительный опыт, который сейчас позволит уверенно разделять сигнальные и фоновые события и надежно калибровать детекторы.

Рис. 6. Принцип работы двухфазного ксенонового детектора темной материи. Первая вспышка света происходит сразу же при столкновении частицы темной материи с ядром ксенона в жидкой фазе, а вторая — позже, когда оставшиеся электроны достигают ее поверхности и выходят в газовую фазу. Соотношение яркости этих вспышек позволяет отделять сигнал от фона. Изображение с сайта en.wikipedia.org

Детектор LUX является типичным представителем двухфазных ксеноновых детекторов (рис. 6). Цилиндрический бак в нём заполнен жидким ксеноном не до самого верха, а только частично, над свободной поверхностью жидкого ксенона находится ксенон газообразный. Когда частица темной материи наносит удар по ядру внутри детектора, это приводит к ионизации. Некоторые электроны ионизации тут же порождают вспышку света (событие S1 на рис. 6), а некоторые дрейфуют в электрическом поле, доходят до границы раздела жидкость-газ, выходят в газовую фазу и порождают там вторую вспышку света (событие S2). Оба события можно хорошо измерить с помощью системы фотоумножителей, что позволяет определить трехмерные координаты исходного удара, а также отделить сигнал от фона. Цель коллаборации — достичь исключительно хорошего разделения сигнала и фона, которое позволит улучшить нынешние результаты эксперимента XENON100 как минимум на порядок. Таким образом, перед LUX стоит амбициозная задача — начать реально чувствовать те частицы темной материи, которые предсказываются многими вариантами суперсимметричных теорий.

Первые результаты LUX

30 октября на специальном семинаре были представлены первые результаты эксперимента LUX, полученные в рамках самого первого трехмесячного этапа работы установки с апреля по август 2013 года. Набор статистики возобновится в 2014 году и продлится примерно год. Сразу после семинара на сайте коллаборации появилась также сопровождающая статья.

Если считать все случаи срабатывания детектора, то таких событий за три месяца набралось почти 100 миллионов, но практически все они являются проявлениями фоновых процессов. После применения всех критериев отбора от этой статистики осталось всего 160 событий, зарегистрированных в центральной части детектора. Подавляющее большинство из них должно отвечать самому последнему неустранимому источнику фона, связанному с электронами. Детектор LUX умеет отделять настоящие события от этого фона, но только статистически. Поэтому ключевой вопрос звучит так: можно ли все события, прошедшие отбор, списать на остаточный фон или нет?

Оказывается, что да, можно. Были некоторые события, которые вроде как выбивались из колеи, но если интерпретировать их как сигнал, то его статистическая значимость не превышает 1 сигмы, что ни в коей мере не является указанием на обнаружение чего-то нового. Таким образом, первый результат коллаборации таков: после трех месяцев работы никаких свидетельств в пользу обнаружения частиц темной материи не получено.

Рис. 7. Ограничения сверху на сечение взаимодействия, установленные детектором LUX после трех месяцев работы в области масс от 5 ГэВ до 5 ТэВ (слева) и от 5 до 15 ГэВ (справа). Результаты LUX существенно улучшают ограничения, полученные на XENON100, а также не подтверждают ни один из объявленных ранее положительных сигналов. Изображения из обсуждаемого доклада

Этот отрицательный результат можно использовать для установления ограничения сверху на сечение взаимодействия частиц темной материи. Эти ограничения показаны на рис. 7 в широкой области масс от 5 ГэВ до 5 ТэВ (слева) и в узкой области от 5 до 15 ГэВ (справа), где несколько экспериментов заявляют о наблюдении сигнала. Как видно, после трех месяцев работы LUX смог существенно улучшить все результаты эксперимента XENON100, бывшего до сих пор рекордным по чувствительности. Достигнуто улучшение примерно в 2 раза при больших массах и более чем на порядок при массах меньше 20 ГэВ. Это, в частности, означает, что все заявленные положительные результаты противоречат данным LUX.

Что нас ожидает в будущем? После обработки полной годовой статистики коллаборация LUX сможет улучшить эти ограничения еще раз в пять. Параллельно с этим через год-два начнут появляться результаты и других крупных экспериментов по поиску частиц темной материи. Если все эти поиски будут давать отрицательные результаты, ограничения на суперсимметричные модели и на Новую физику вообще станут еще более жесткими.

Однако, вместе с тем проблема поиска темной материи станет еще более острой. Тот факт, что частиц темной материи пока не видно в прямых поисках (но она видна в астрофизических наблюдениях!), означает, что либо они имеют совсем другие массы, которые трудно проверять экспериментально, либо их сечение взаимодействия такое низкое, что они не порождают никаких значимых сигналов в нынешних детекторах, либо, что их столкновения с веществом обладает какими-то совсем уж экзотическими характеристиками. Во всех случаях экспериментаторам придется ломать голову над тем, как попытаться такие частицы надежно обнаружить, а теоретикам — пытаться понять, не существует ли каких-то косвенных способов изучать частицы темной материи без их непосредственной регистрации. В любом случае, ситуация в ближайшее десятилетие будет лишь накаляться.

Источники:
1) D. McKinsey, R. Gaitskell, The first results of the LUX dark matter experiment, семинар 30 октября в лаборатории в Санфорде.
2) D.S. Akerib et al, First results from the LUX dark matter experiment at the Sanford Underground Research Facility, статья коллаборации LUX, направлена в журнал Physical Review Letters; доступна как е-принт arXiv:1310.8214.

См. также:
1) Пресс-релиз Подземной лаборатории в Санфорде.
2) В. А. Рябов, В. А. Царев, А. М. Цховребов, Поиски частиц темной материи // УФН 178, 1129 (2008).
3) Эксперимент DAMA по-прежнему «видит» частицы темной материи, «Элементы», 21.04.2008.
4) Детектор частиц темной материи, задача на «Элементах», поясняющая, откуда берется характерная «загогулина» в экспериментальных результатах, представленных на рис. 4 и 5.
5) L. Baudis, Direct dark matter detection: The next decade // Physics of the Dark Universe 1, 94 (2012); доступно как е-принт arXiv:1211.7222.
6) D.S. Akerib et al, The Large Underground Xenon (LUX) Experiment // NIMR 704, 111 (2013); доступно как е-принт arXiv:1211.3788.

Игорь Иванов