Эксперимент DAMA по-прежнему «видит» частицы темной материи
|
Итальянский эксперимент DAMA/LIBRA объявил о детектировании частиц темной материи. В непосредственных экспериментальных данных специалисты не сомневаются, но с их интерпретацией согласны далеко не все.
Предыстория
Астрофизические данные показывают, что подавляющая часть вещества во Вселенной существует в виде темной материи. «Темной» она называется потому, что ее «не видно» ни в радиоволнах, ни в тепловом излучении, ни в оптическом, ультрафиолетовом, или рентгеновском диапазонах. Ее наличие заметно только через гравитационное воздействие на видимую материю — межзвездный газ, звезды, галактики.
Из чего именно состоит темная материя — пока не известно, но астрофизики склоняются к мысли, что главный ее компонент — это некие тяжелые частицы, очень слабо взаимодействующие с обычным веществом, — вимпы (от англ. WIMP — weakly interacting massive particles). Они образуют огромное облако вокруг каждой галактики, в том числе и вокруг нашего Млечного Пути. Солнечная система, двигаясь по своей галактической орбите сквозь газ вимпов, должна чувствовать встречный «вимповый ветер», а поскольку Земля вдобавок к этому еще движется вокруг Солнца, то мы, находясь на Земле, будем чувствовать то более сильный, то более слабый встречный поток вимпов, с периодом один год.
Вимпы должны очень слабо взаимодействовать с обычным веществом, поэтому большинство из них свободно проходят Землю насквозь. Однако изредка вимпы всё же сталкиваются с атомными ядрами глубоко в толще вещества, передают им часть своего импульса и иногда при этом выбивают электроны и вызывают вспышки света. Частота таких столкновений зависит от количества пролетающих сквозь Землю вимпов, поэтому при движении Земли сквозь галактическое гало она будет то увеличиваться, то уменьшаться.
|
Именно за такими годичными колебаниями частоты вспышек в полностью заэкранированном детекторе глубоко под землей вот уже более 10 лет охотятся участники проекта DAMA. Проект состоит из нескольких параллельно идущих экспериментов, и в одном из них, DAMA/NaI, такие колебания действительно были обнаружены. Однако сообщение участников эксперимента о прямом детектировании вимпов, сделанное ими в 2000 году, научное сообщество приняло с большим скептицизмом — погрешности данных были большие, да и интерпретация многим казалась поспешной.
Эксперимент DAMA/NaI был модернизирован и запущен в 2003 году под новым именем DAMA/LIBRA. И вот на днях первые результаты этого эксперимента были обнародованы на конференции Neutrino Oscillations in Venice, а также появились в архиве электронных препринтов: First results from DAMA/LIBRA and the combined results with DAMA/NaI (сами результаты), The DAMA/LIBRA apparatus (описание детектора). Новые данные полностью подтверждают более ранние результаты, но скептицизма критиков они не убавили.
Эксперимент и его результаты
В 100 км от Рима глубоко в толще горы Гран-Сассо (Gran Sasso) расположена одноименная подземная лаборатория, принадлежащая итальянскому Национальному институту ядерной физики (INFN). Благодаря природной экранировке (от поверхности ее отделяют полтора километра горных пород!), поток космических лучей в ней в миллион раз меньше, чем на поверхности Земли. Именно поэтому она идеально подходит для проведения сверхчистых экспериментов в физике элементарных частиц и ядерной физике. DAMA/LIBRA — один из полутора десятков одновременно идущих в ней экспериментов.
В эксперименте DAMA/LIBRA в качестве рабочего вещества выбраны сцинтилляторы NaI(Tl), состоящие из йодида натрия (NaI) с добавлением таллия (Tl) в качестве активатора. Каждый сцинтиллятор — это кристаллический стержень массой около 10 кг, в котором вимп при столкновении с ядром вещества должен порождать вспышку света. Этот свет улавливают фотоумножители, установленные на торцах сцинтиллятора, и передают сигнал компьютеру.
«Ложные» срабатывания могут быть вызваны не только космическими лучами, но и радиоактивными изотопами, встречающимися в природе. Для максимальной изоляции детектора каждый сцинтилляционный кристалл упакован в медный кирпич, а блок с этими кирпичами опечатан многослойной изоляцией из радиочистых материалов. Внутренности этого ящика продувались радиочистым азотом, а фоновая концентрация наиболее трудноуловимых изотопов (например, инертного газа радона) постоянно контролировалась рядом с установкой. Наконец, температура установки была постоянной с точностью до тысячных долей градуса, а чувствительность детекторов регулярно контролировалась с помощью облучения известными радиоизотопами.
Эксперимент DAMA/LIBRA на протяжении уже четырех с лишним лет измеряет, по сути, только количество и энергию сцинтилляционных вспышек внутри детектора. В среднем происходит 1–2 вспышки в день на килограмм веса сцинтилляторов и на килоэлектронвольт энергии. Это значение остается постоянным во времени — за исключением области малых энергий, 2–6 кэВ, где как раз и наблюдаются слабые (буквально пара процентов) годичные колебания. Если из всех данных вычесть постоянный сигнал и оставить только переменную компоненту, то получится такой график.
|
Хорошо заметно, насколько возросла точность данных после модернизации. Если после первого года-двух эксперимента DAMA/NaI еще оставались сомнения, не является ли этот сигнал случайным отклонением, то после 10 годичных циклов стало ясно, что переменная часть сигнала с высокой точностью следует синусоидальному закону с периодом ровно 1 год и максимумами, приходящимися на 2 июня. На сухом языке статистики значимость сигнала превышает 8 стандартных отклонений, то есть вероятность, что эти данные — лишь игра случая, ничтожно мала.
Итак, эксперимент видит четкую годичную модуляцию частоты срабатываний детектора, и с этим уже не спорят даже скептики. Но остается главный вопрос: какова причина этой модуляции?
Интерпретация результатов
Может показаться, что есть целое множество естественных причин для небольших сезонных колебаний какой угодно величины. Однако благодаря многоуровневой изоляции и постоянному контролю остаточной радиоактивности, авторы считают, что никакими «земными» процессами наблюдавшиеся в эксперименте колебания не объяснить. Именно отсюда следует их вывод — эти колебания есть результат сезонного ослабления и усиления «вимпового ветра».
Может ли какой-то неучтенный до сих пор источник привести к подобному сигналу? Авторы говорят, что такой источник им неизвестен — по крайней мере, за всё это время никто так и не предложил какой-то иной физический механизм, удовлетворяющий всем трем критериям отбора:
- сигнал должен меняться строго по синусоидальному закону с периодом ровно 1 год и с максимумами в районе 2 июня;
- сигнал должен наблюдаться только при низких энергиях;
- сигнал должен присутствовать только в однодетекторных событиях (то есть не должно быть событий, в которых одновременно срабатывают два или более кристаллов).
Все другие известные источники нарушили бы какие-то из этих условий. Скажем, даже если бы в лабораторию прорывался поток космических лучей, вызывающих срабатывание детекторов, то он порождал бы заметные изменения как при низких, так и при высоких энергиях.
Что же тогда не нравится скептикам? Дело в том, что подобные эксперименты ставились и в других лабораториях мира, но ни в одном из них годичных колебаний не зафиксировано. Правда, одни эксперименты основывались на иных методиках детектирования, в других использовался не йодид натрия, а иное чувствительное вещество, а третьи просто не дотягивали пока по своей чувствительности до DAMA/LIBRA. Тем не менее специалисты склоняются к мысли, что если бы вимповый ветер был таким сильным, как это следует из данных DAMA, то какой-нибудь из других экспериментов — например, очень чувствительный эксперимент CDMS, заявивший недавно об отрицательном результате, — тоже заметил бы частицы темной материи.
Что можно сделать в такой ситуации? Прежде всего, надо попытаться провести независимый эксперимент в другой лаборатории, но с тем же самым сцинтиллятором и в таких же условиях. Во-вторых, было бы очень полезно не только регистрировать сам факт столкновения вимпа с ядром, но и узнать направление, с которого прилетел вимп (см., например, недавние результаты японского детектора NEWAGE). Если окажется, что предпочтительное направление прилета частиц совпадает с направлением движения Солнца сквозь галактическое гало, это станет важным аргументом в пользу вимповой интерпретации сигнала — ведь никакие земные явления «не чувствуют» этого направления! В-третьих, если многократно улучшить чувствительность детекторов, то можно будет уже отлавливать и суточные колебания частоты вспышек (ведь Земля еще и вращается вокруг своей оси). Если и они будут происходить с нужной амплитудой и фазой, то это тоже может стать ключевым аргументом в пользу обнаружения вимпов.
Источники:
1) R. Bernabei et al. First results from DAMA/LIBRA and the combined results with DAMA/NaI // препринт arXiv:0804.2741 (17 April 2008).
2) R. Bernabei et al. The DAMA/LIBRA apparatus // препринт arXiv:0804.2738 (17 April 2008).
3) R. Bernabei. First results from DAMA/LIBRA (PowerPoint file, 13 Mb) — доклад на конференции «Neutrino Oscillations in Venice».
