Темная материя

 

4. Экзотические барионные кандидаты на роль частиц темной материи

Массивные компактные объекты гало галактики (MACHOs).

К числу наиболее естественных гипотез  о природе ТМ можно отнести предположение о существовании некоторого класса астрономических объектов, которые вследствие своих малых размеров и светимости не видны. Такие гипотетические объекты, получившие общее название MACHOs (Massive Compact Halo Objects), могут, в частности, включать в себя черные дыры, рожденные в эпоху Большого взрыва.

Недавние измерения, основанные на использовании эффекта гравитационного микролинзирования, позволили оценить величину суммарного вклада MACHOs в ТМ. По результатам мониторинга была определена суммарная масса MACHOs в гало галактик, которая, как оказалось, составляет менее 15 % от массы гало [1].

 

5. Магнитные монополи

Гипотезу о существовании монополей выдвинул Дирак для объяснения квантования электрического заряда еще в 1931 г. Дирак предположил существование частицы с магнитным зарядом g, который связан с электрическим зарядом е условием квантования ,где n = 1,2,… Однако это соотношение не определяет массу магнитного заряда — монополя. Оценка, основанная на предположении о равенстве радиусов классического монополя и электрона, приводит к величине ГэВ [1]. Исходя из этих соображений на протяжении многих лет легкие монополи безуспешно пытались искать в ускорительных экспериментах.

 

6. Зеркальные частицы

Идея "зеркальных частиц" и "зеркального  мира" зародилась около 50 лет тому назад и сегодня активно обсуждается в связи с проблемой ТМ. Модель зеркальной материи возникла в результате попыток компенсировать зеркальную асимметрию слабых взаимодействий обычных частиц, несмотря на характер слабого взаимодействия. Для введения зеркальных частиц существует и другая мотивация, связанная с теорией струн. Все обычные частицы, за исключением гравитона, получают зеркальных партнеров. Зеркальные частицы имеют те же массы, что и соответствующие обычные частицы, и взаимодействуют между собой, как обычные частицы, за исключением того, что зеркальное слабое взаимодействие является правым, а не левым. Оба сектора взаимодействуют между собой гравитационно. Кроме того, существуют другие каналы взаимодействия. Возможные негравитационные взаимодействия включают в себя смешивание зеркальных фотонов с обычными фотонами, смешивание массовых состояний зеркальных и обычных нейтрино СМ.

Зеркальные протоны и электроны  должны быть стабильными по тем же причинам, что и обычные протоны  и электроны. Зеркальная реликтовая материя в виде газовых облаков, звезд, планет, галактик и т.д. может  существовать и в современной Вселенной, проявляя себя как ТМ, взаимодействующая с обычной материей посредством стандартной гравитации. Присутствие зеркальной материи во Вселенной (по аналогии с обычной холодной ТМ), возможно, способствовало формированию ее крупномасштабной структуры.

Важное отличие зеркальных барионов от других кандидатов в ТМ состоит  в том, что зеркальная материя  взаимодействует сама с собой (самодействие). Это свойство использовано для решения проблемы распределения плотности ТМ.

Кроме зеркальных аналогов обычных  частиц СМ, возможно, существуют и зеркальные сверхтяжелые Х-частицы ТМ, которые будут распадаться на зеркальные фотоны, лептоны и барионы. Только зеркальные нейтрино, переходящие в результате осцилляций в обычные нейтринные состояния, могут стать наблюдаемыми. Все остальные продукты распадов зеркальных Х-частиц так и останутся в зеркальном мире и будут ненаблюдаемыми в обычном мире. Таким образом, зеркальные Х-частицы могут являться скрытым источником нейтрино, поток которых может быть очень большим и может быть обнаружен вступающими в строй нейтринными телескопами.

 

3. Поиск частиц темной материи в экспериментах

Имеется несколько путей  поиска частиц темной материи. Один из них связан с экспериментами ускорителях высокой энергии — коллайдерах. Если частицы темной материи действительно тяжелее протона в 100–1000 раз, то они будут рождаться в столкновениях обычных частиц, разогнанных на коллайдерах до высоких энергий. Ближайшие перспективы здесь связаны с Большим адронным коллайдером (LHC). Нужно сказать, что согласно популярным сегодня гипотезам, частицы темной материи — это лишь один представитель нового семейства элементарных частиц, так что наряду с открытием частиц темной материи можно надеяться на обнаружение на ускорителях целого класса новых частиц и новых взаимодействий. Космология подсказывает, что известными сегодня «кирпичиками» мир элементарных частиц далеко не исчерпывается!

Другой путь состоит в  регистрации частиц темной материи, которые летают вокруг нас. Их отнюдь не мало: при массе, равной 1000 масс протона, этих частиц здесь и сейчас должно быть 1000 штук в кубическом метре. Проблема в том, что они крайне слабо  взаимодействуют с обычными частицами, вещество для них прозрачно. Тем  не менее, частицы темной материи  изредка сталкиваются с атомными ядрами, и эти столкновения можно  надеяться зарегистрировать. Поиск  в этом направлении ведется с  помощью целого ряда высокочувствительных детекторов, помещенных глубоко под землей, где резко снижен фон от космических лучей.

Eще один путь связан с регистрацией продуктов аннигиляции частиц темной материи между собой. Эти частицы должны скапливаться в центре Земли и в центре Солнца, т. к. вещество для них практически прозрачно, и они способны проваливаться внутрь Земли или Солнца. Там они аннигилируют друг с другом, и при этом образуются другие частицы, в том числе нейтрино. Эти нейтрино свободно проходят сквозь толщу Земли или Солнца, и могут быть зарегистрированы специальными установками — нейтринными телескопами. Один из таких нейтринных телескопов расположен в глубине озера Байкал (НТ-200, рис. 8) [3], другой (AMANDA) — глубоко во льду на Южном полюсе.

Рис 8. Нейтринный телескоп расположен в глубине озера Байкал

 

Рис. 9

Как показано на рис. 9 [3], нейтрино, приходящее, например, из центра Солнца, может с малой вероятностью испытать взаимодействие в воде, в результате чего образуется заряженная частица (мюон), свет от которой и регистрируется. Поскольку взаимодействие нейтрино с веществом очень слабое, вероятность такого события мала, и требуются детекторы очень большого объема. Сейчас на Южном полюсе началось сооружение детектора объемом 1 кубический километр.

Имеются и другие подходы  к поиску частиц темной материи, например, поиск продуктов их аннигиляции  в центральной области нашей  Галактики. Какой из всех этих путей  первым приведет к успеху, покажет  время, но в любом случае открытие этих новых частиц и изучение их свойств станет важнейшим научным достижением. Эти частицы расскажут нам о свойствах Вселенной через 10^–9 с (одна миллиардная секунды) после Большого Взрыва, когда температура Вселенной составляла 1015 градусов, и частицы темной материи интенсивно взаимодействовали с космической плазмой.

 

4. Прямая регистрация вимпов

Идея прямого детектирования вимпов основана на предположении о  том, что Галактика заполнена вимпами, поэтому при движении Земли многие из них проходят через Землю. Для оценки характеристик сигнала при прямой регистрации вимпов ключевыми параметрами являются: плотность распределения вимпов в Галактике, распределение их по скоростям в Солнечной системе, сечение рассеяния вимпов на нуклонах.

В экспериментах по прямой регистрация вимпов необходимо тем  или иным методом измерить энергию, выделившуюся в процессе рассеяния  вимпов на ядерной мишени. Для регистрации ядра отдачи и измерения его энергии могут быть использованы ионизационные, сцинтилляционные и тепловые детекторы или их комбинации. Важно подчеркнуть, что в отличие от тепловых детекторов, в которых почти 100 % энергии ядра отдачи АЕ преобразуется в тепловой сигнал, ионизационные детекторы имеют коэффициент преобразования энергии отдачи в энергию, затрачиваемую на рождение электронно-дырочных пар, не более 30 %, а в сцинтилляционных детекторах в свет преобразуется не более 10 % энергии. В этом случае детектор, регистрирующий ядра отдачи, должен работать с порогом, не превышающим нескольких КэВ.

 

1. Детекторы, регистрирующие заряд

Полупроводниковые детекторы.

 В первых экспериментах по наблюдению вимпов использовались германиевые детекторы, которые имеют низкий энергетический порог и высокое разрешение. Изначально эти детекторы были оптимизированы для изучения двойного β-распада, но впоследствии стали использоваться и для наблюдения частиц ТМ. В последнее время для регистрации вимпов стали применяться времяпроекционные камеры.

IGEX (International Germanium Experiment) [1]— эксперимент на глубине 2450 метров водного эквивалента (м.) в подземной лаборатории Канфранк, расположенной в испанских Пиренеях . Детектор, окруженный свинцовой защитой, содержал 2 кг чистого изотопа германия ⁷⁶Ge. Счет событий в эксперименте составил 0,1 кэВ^-1 кг^-1 сут^-1, что находится на уровне расчетного фона.

HDMS (Heidelberg Dark Matter Search) [1] — эксперимент в подземной лаборатории Гран-Сассо в Италии, на глубине 3400 м.в.э., в котором использовалось два кристалла ⁷³Ge (один помещался в другой) с общим весом около 2,3 кг. Все события, которые регистрировались в обоих детекторах, имели фоновое происхождение, не связанное со взаимодействием вимпа. В этом эксперименте порог регистрации составлял 4-7,5 кэВ при энергетическом разрешении 2-4 кэВ. Измерения проводились в интервале энергий ядер отдачи 10-50 кэВ, и счет событий не превосходил уровня фона — 0,43 кэВ^-1 кг^-1 сут^-1 [1].

Времяпроекционные камеры

Drift-II — эксперимент с использованием времяпроекционной камеры, проводимый в подземной шахте Боулби (Северный Йоркшир, Великобритания) на глубине 1100 м [1]. Камера, объемом 1 м³, заполненная дисульфатом углерода (CS₂), работает с отрицательными ионными носителями заряда. Принцип работы камеры основан на том, что при взаимодействии частицы, проходящей через газовую CS₂-мишень, с веществом мишени образуются электрон-ионные пары, которые затем разделяются в сильном электрическом поле. Газ CS₂ — электроотрицательный, и образовавшиеся отрицательные ионы дрейфуют к одной из плоскостей многопроволочной пропорциональной камеры, работающей в лавинном режиме. В такой камере могут регистрироваться ядра отдачи от взаимодействия вимпов в газовом объеме. В настоящее время проводится калибровка прибора с использованием радиоактивных источников.

MIMAC (MIcro-tpc MAtrix of Chambers) - эксперимент с времяпроекционной камерой с высоким временным разрешением, в которой в качестве мишени для регистрации небарионной ТМ используется Не³. В камере регистрируется ионизационный сигнал и проекция электронного трека. Движение ядра отдачи, возникшего при рассеянии вимпа на Не³, приводит к образованию электронов ионизации, которые могут регистрироваться при пороговой энергии, не превышающей 6 кэВ [1].

 

2. Сцинтилляционные детекторы, регистрирующие свет

Большие массы детектора можно  получить с использованием сцинтиллятора типа NaI или жидкого ксенона в очень чистом контейнере.

DAMA (Dark Matter) — эксперимент в подземной лаборатории Гран-Сассо, в котором использовалось около 100 кг высокочистого NaI(Tl)-сцинтиллятора (девять независимых детекторов весом по 9,7 кг каждый). Энергетический порог в эксперименте составлял E≈2 кэВ, энергия ядер отдачи достигала E≈22 кэВ [1]. Энергетическое разрешение сцинтилляторов исследовалось с использованием нескольких радиоактивных источников (⁵⁵Fe, ¹⁰⁹Cd, ²⁴¹Am). В эксперименте регистрировался эффект влияния движения Земли вокруг Солнца на взаимодействие частиц ТМ в ядерной мишени. Если рассматривать ТМ, сконцентрированную в Галактическом гало, то Земля будет пересекать больший поток частиц ТМ в июне, когда вектор скорости частиц ТМ совпадает с направлением движения Солнечной системы относительно Галактики. Наименьшее число событий взаимодействия в детекторах должно наблюдаться в декабре, когда две скорости взаимно противоположны.

Набор данных в эксперименте DAMA происходил в течение семи годовых циклов. Сеансы измерений начинались до момента времени, в который счет должен быть минимальным (2 декабря), и заканчивались после ожидаемого максимума (2 июня). Полная экспозиция детекторов составила 107731 кг сут. Результат счета событий в энергетическом интервале 2 - 6 кэВ показал наличие модуляций на уровне достоверности 6,3 с (рис. 10), что коллаборация DAMA интерпретировала как свидетельство существования в гало вимпов с массой m_WIMP ≈ 52 ГэВ. Однако этот результат до сих пор не подтвержден ни в одном из экспериментов по поиску ТМ.

 

Рис. 10. Годовая модуляция счета событий в энергетическом интервале 2-6 кэВ, измеренная в эксперименте DAMA.

 

Наблюдения частиц TM в эксперименте использовалось шесть кристаллов сцинтиллятора NaI с общим весом 46 кг. Световые сигналы регистрировались ФЭУ (фотоэлектронные умножители), присоединенными к кристаллу с обоих концов. Для защиты от природной радиоактивности горных пород детектор окружался оболочкой из меди и свинца. Энергетический порог детектора составлял ≈ 2 кэВ, анализ данных проводился в области энергий 2 - 30 кэВ. Экспозиция детектора составила 10,6 кг год. Значимых отклонений от фонового счета событий в детекторе NaIAD обнаружено не было [1].

ANAIS (Annual modulation with NaI's) — эксперимент в подземной лаборатории Канфранк. В эксперименте использовалось 14 кристаллов сцинтиллятора NaI, каждый весом 10,7 кг. Гексагональная конструкция, собранная из этих сцинтилляторов, была окружена оболочкой из свинца толщиной 10 см, слоями кадмия толщиной 2 мм и 40-сантиметровыми слоями полиэтилена. Кроме того, вся установка погружалась в бак с водой с добавками бора. Энергетический порог регистрации в эксперименте составлял ≈ 4 кэВ, анализировались события с энергиями вплоть до 100 кэВ. При полной экспозиции детектора 2070 кг сут. счет событий составлял 1,2 кэВ^-1 кг^-1 сут^-1. Никакого аномального превышения числа событий над уровнем фона во всем исследуемом энергетическом интервале обнаружено не было [1].