Открытие физиков из Сибири ускорит поиски «тяжелой» темной материи

Ученые из Института ядерной физики СО РАН выяснили, как можно упростить и улучшить работу детекторов темной материи, обратив внимание на то, как она будет влиять на взаимодействия их электронов и нейтральных атомов. Их выводы были представлены в журнале Astroparticle Physics.

«Главное, наши результаты показали, что, если не учитывать этот эффект, эксперименты по поиску темной материи могут быть некорректными. Наши выкладки могут пригодиться проектам по поискам темной материи, например, международной коллаборации Dark Side, в которой мы принимаем участие», — рассказывает Екатерина Шемякина из ИЯФ СО РАН, чьи слова приводит пресс-служба института.

«Изнанка» Вселенной

Достаточно долгое время ученые считали, что Вселенная состоит из той материи, которую мы видим, и которая составляет основу всех звезд, черных дыр, туманностей, скоплений пыли и планет. Но первые наблюдения за скоростью движения звезд в близлежащих к нам галактиках показали, что светила на их окраинах движутся в них с невозможно высокой скоростью, которая была примерно в 10 раз выше, чем показывали расчеты на базе масс всех светил в них.

Причиной этого, как сегодня считают ученые, была так называемая темная материя – загадочная субстанция, на чью долю приходится примерно 75% от массы материи во Вселенной. Как правило, в каждой галактике примерно в 8-10 раз больше темной материи, чем ее видимой «кузины», и эта темная материя удерживает звезды на месте и не дает им «разбежаться».

Сегодня почти все ученые уверены в существовании темной материи, однако ее свойства, помимо ее очевидного гравитационного влияния на галактики и скопления галактик, остаются загадкой и предметом споров среди астрофизиков и космологов. Достаточно долго ученые предполагали, что она сложена из сверхтяжелых и «холодных» частиц-«вимпов», никак не проявляющих себя, кроме как притягивая видимые скопления материи.

Подобные частицы сегодня ученые пытаются найти, используя гигантские подземные детекторы, заполненные абсолютно чистым ксеноном. Ядра атомов благородного газа, как предполагали раньше ученые, должны были взаимодействовать с «вимпами» особым образом, что можно было обнаружить, наблюдая за вспышками света внутри сжиженного ксенона.

За последние два десятилетия ученые создали около дюжины подобных детекторов со все большим объемом и массой, ни один из которых не смог зафиксировать следы взаимодействий ксенона с вимпами. 

Скрытый свет

Шемякина и ее коллеги много лет работают со своей версией детектора темной материи, главным рабочим веществом в котором выступает другой благородный газ, аргон. Как и в случае с ксеноновыми детекторами, ученые наблюдают за вспышками света, которые должны возникать внутри емкости, заполненной аргоном, в результате столкновений его атомов с «вимпами».

Данные световые сигналы, как раньше считали физики, должны были возникать в результате взаимодействий электронов, «выдернутых» темной материей из атомов, с ионами в окружающей их среде. В результате этого носитель отрицательного заряда начинает «тормозить», вырабатывая при этом пучки ультрафиолета. 

Подобное излучение, как отмечает Шемякина, достаточно тяжело улавливать, и поэтому российские физики уже долгое время пытаются создать такую ситуацию, при которой это излучение должно было возникать в видимой или инфракрасной части электромагнитного спектра, с которыми гораздо проще работать. Для этого ученые добавляли примеси в аргон или наоборот, очищали его от всех следов инородных веществ.

Эти усилия привели к неожиданному результату – оказалось, что детектор сам по себе вырабатывал видимые импульсы «тормозного излучения», существование которых не предсказывалось теорией. Детально изучив этот процесс, российские физики открыли новую форму этого света, вырабатываемую не заряженными, а нейтральными атомами.

«Последние тридцать лет об этом эффекте никто ничего не писал. Тормозное излучение на нейтральных атомах было забыто по причине, что вторичные сцинтилляции полностью объясняли механизмами, основанными на прямом возбуждении атомов благородного газа электронами. Его существование позволило нам упростить и удешевить наш прототип детектора для поиска темной материи», — заключает Шемякина.