Новые данные эксперимента CoGeNT по-прежнему указывают на регистрацию частиц темной материи

Коллаборация CoGeNT — одна из немногих сообщавших ранее о возможном наблюдении частиц темной материи — обновила свои результаты на основе статистики, накопленной уже за три года работы. В новых данных по-прежнему видно превышение сигнала над фоном в нужной области, а также по-прежнему наблюдается сезонная модуляция, характерная для частиц темной материи. В статье также рассказывается о том, как согласовать друг с другом результаты трех экспериментов с положительными результатами.

Поиск частиц темной материи остается одной из самых острых проблем на пересечении физики микромира и астрофизики. Наблюдательные данные указывают на то, что темная материя должна существовать, что она должна «дуть» в виде всепроникающего ветра и сквозь Землю, но свидетельств в пользу ее регистрации, которые убедили бы всех специалистов, пока нет. Во всём мире сейчас проводится или готовится к запуску уже пара десятков экспериментов, которые пытаются зарегистрировать эффект от этих частиц неизвестной массы и неизвестной природы. Каждый год появляются новые сообщения от разных групп: некоторые из них сообщают о наблюдении положительного сигнала, другие говорят об отсутствии чего-либо подобного (см., например, наши недавние новости Эксперимент LUX пока не обнаружил частицы темной материи, «Элементы», 31.10.2013, и Эксперимент CROWS по поиску гипотетических сверхлегких частиц дал отрицательный результат, «Элементы», 06.11.2013). Согласовать эти сообщения друг с другом не удается. Такая ситуация, конечно, не является удовлетворительной и может легко запутать человека, знакомящегося с темой, но такова уж реальность на сегодняшний день. Физикам остается лишь ставить новые эксперименты, увеличивать их чувствительность, выискивать новые источники погрешностей, а также придумывать дополнительные приемы анализа и интерпретации результатов.

На днях в архиве е-принтов появилась новая статья эксперимента CoGeNT — одного из четырех экспериментов по поиску частиц темной материи, сообщающих о положительных результатах (рис. 1). Если раньше коллаборация использовала статистику, накопленную в первые 15 месяцев работы детектора, то сейчас статистика покрывает уже свыше трех лет непрерывной работы. Выводы коллаборации не изменились: сигнал по-прежнему присутствует в данных, примерно с той же силой и в той же области, сезонная модуляция сигнала наблюдается так же хорошо, как и раньше, ни на какие известные ученым источники погрешностей эти данные списать не получается. Интерпретация в терминах частиц темной материи указывает на область масс 7–8 ГэВ. И несмотря на всё это новые данные по-прежнему не убеждают большинство специалистов.

Прежде всего, несколько слов стоит посвятить технологии, используемой в детекторе CoGeNT для регистрации событий и отделения потенциально интересных кандидатов от фона. В отличие от современных детекторов на жидком ксеноне, в которых рабочий объем уже приближается к тонне, CoGeNT работает с германиевыми кристаллами массой всего в полкилограмма. Однако причудливая электрическая конструкция устройства вкупе с методикой обработки данных позволяет сделать то, что подавляющему большинству других детекторов не под силу — зарегистрировать очень слабое энерговыделение. В CoGeNT порог энерговыделения, начиная с которого детектор отличает событие от шума, составляет всего 0,4 кэВ против нескольких кэВ у других детекторов. Это очень важная величина, поскольку легкие частицы темной материи при столкновении с ядрами вещества передают им очень небольшую энергию. Наблюдение «лишних» событий относится именно к области малого энерговыделения, ниже 2 кэВ, где нет никаких иных известных ученым инструментальных погрешностей.

Технически, детектирующие элементы CoGeNT выполнены в виде полупроводникового конденсатора цилиндрической формы. В нем подается напряжение на контакты, в объеме детектора возникает электрическое поле, и если частица темной материи выбьет несколько электронов, они соберутся на одном из контактов и дадут всплеск в считывающей электронике (см. задачу Детектор фотонов на близкую тему). Особенность конструкции этого детектора в том, что один электрод огромный — он занимает практически всю цилиндрическую поверхность, а второй — крошечный, в виде почти точечного контакта в центре торца (рис. 2).

Другой важный момент — способность разделять внутренние и поверхностные события (рис. 3). Если энерговыделение произошло вблизи поверхности детектора, то часть заряда могла просто не попасть внутрь детектора. Из-за этого детектору могло показаться, что он зарегистрировал событие со слабым энерговыделением (кандидат в частицы темной материи), хотя на самом деле полное энерговыделение было большим. Если же энергия выделилась в глубине рабочего объема, то можно быть уверенным, что собранная энергия действительно мала.

Детектор CoGeNT не может непосредственно отследить, где именно находится центр энерговыделения, однако он может измерить форму электрического сигнала, пришедшего на электроды. Оказывается, сигналы, порожденные внутренним и поверхностным энерговыделением, выглядят сильно по-разному («быстрый» сигнал для объемного события, «медленный» — для поверхностного), что позволяет разделять эти два типа с очень небольшим процентом ложных срабатываний.

Перейдем теперь к результатам эксперимента CoGeNT. Первое сообщение о положительном результате относится к 2010 году. Тогда коллаборация заметила, что среди всех данных особо выделяется область самого малого энерговыделения — ниже 2 кэВ. Если во всех остальных диапазонах энергий количество событий вполне соответствовало фону и узким пикам, отвечающим известным распадам радиоактивных элементов, то тут, после вычета фоновых событий, явно был виден неуклонный рост в сторону всё меньших энергий (рис. 4). Такой сигнал вполне ожидается от умеренно легких частиц темной материи. Большинство событий, вызванных такими частицами, привели бы к совсем уж маленькому энерговыделению, ниже порога чувствительности, но «хвост» распределения этих частиц по скоростям должен был бы породить как раз наблюдаемую форму кривой. Сравнение показало, что данные лучше всего согласуются с массой 7–8 ГэВ.

Затем, в 2011 году, эксперимент CoGeNT обнаружил другой важный эффект — сезонную модуляцию количества событий. Примечательно, что эффект проявлялся именно в низкоэнергетических данных. Впрочем, статистическая значимость сигнала была невысокой, да и данные охватывали всего 15 месяцев работы, однако это стало вторым (после DAMA/Libra) сообщением о наблюдении такого эффекта.

17 марта 2011 года в шахте «Судан» (см. Soudan Mine) случился пожар, из-за чего эксперимент вынужденно простаивал три месяца. Проверки показали, что инцидент на работоспособность детектора не повлиял, и уже летом набор данных был возобновлен. В результате к концу 2013 года в распоряжении физиков была статистика, охватывающая уже три полных года работы. Это позволило построить еще более длинные временные последовательности и проверить, проявляется ли сезонная периодичность в них.

В новой статье коллаборация сообщает, что модуляция по-прежнему присутствует (рис. 5). Как и раньше, годичному колебанию оказались подвержены только данные по низкоэнергетическим событиям и только для событий, произошедших в объеме детектора, а не на поверхности. Всё это является доводом в пользу того, что ни на какой остаточный эффект внешних климатических условий или другие подобные причины списать эти колебания не получается. По правде говоря, статистическая значимость годичной вариации получается очень небольшой, всего 2,2 сигма, что недотягивает даже до уровня «трех сигма», за которым физики начинают серьезно относиться к эффекту. Однако эта вариация не меняется со временем, так что можно надеяться, что спустя еще несколько лет статистическая значимость возрастет до интересного уровня.

Статья коллаборации CoGeNT содержит и еще одну интересную подробность. Обычно те эксперименты по поиску темной материи, которые сообщают о положительных результатах, подвергаются критике на основании того, что во всех них получаются несколько разные значения массы и сечения для частиц темной материи. Если бы их сигнал был настоящим указанием на темную материю, они должны были бы давать, в пределах погрешностей, одно и то же значение. Однако из-за того, что разные эксперименты используют разные вещества и имеют разные пороги срабатывания, разногласие между ними не столь уж универсально. В статье CoGeNT приводится анализ этих данных в рамках различных моделей распределения темной материи в Галактике и показывается, что есть и такой вариант, при котором три эксперимента с положительным результатом (DAMA, CoGeNT, CDMS) согласуются друг с другом (рис. 6). Да, конечно, остается проблема, как в свете этого понимать недавние отрицательные результаты эксперимента LUX, но по крайней мере этот пункт критики оказывается сам по себе небесспорным.

Впрочем, новые данные пока не меняют общее настроение в этой области физики. Большинство специалистов считает, что аргументы «против» пока что перевешиваю доводы «за». Ожидания тут связаны, в основном, с новыми экспериментами по поиску частиц темной материи, и они уже на подходе. Для примера скажем, что буквально через несколько дней после статьи CoGeNT в архиве е-принтов были обнародованы первые результаты эксперимента DM-Ice17. Это детектор на йодистом натрии, установленный на Южном полюсе и вмороженный в антарктический лед на глубине два километра, посреди нитей установки километрового масштаба IceCube. DM-Ice17 пока что не обнаружил никаких подозрительных сигналов, но он исправно работает вот уже два года, вдали не только от цивилизации, но и от самих исследователей. Так что он может считаться первой ласточкой будущих экспериментов по поиску темной материи в толще антарктического льда. В целом, в ближайшие несколько лет можно ожидать сразу несколько новых интересных результатов с установок нового поколения. Что они покажут и помогут ли они разобраться с положительными результатами, известными сегодня, покажет время.