Владимир Моисеев – Краткая история астрономии. Том 11. Темная материя (страница 38)
На данный момент нет убедительных данных о существовании частиц темной материи, только верхние ограничения на параметры их взаимодействий с обычным веществом. Как правило, эти результаты получены в экспериментах, где физики ищут соударения частиц темной материи с электронами или ядрами обычных атомов, из-за чего последние приобретают заметную скорость и вызывают срабатывание детектора.
Однако частицы в рамках ряда гипотез о природе темной материи, в том числе неупругой темной материи и сильно взаимодействующей темной материи, не должны передавать значительное количество энергии, что делает существующие методы поиска неэффективными. Данные идеи остаются значительно хуже протестированными с помощью опытов по прямому поиску.
Максим Поспелов (Maxim Pospelov) из Института теоретической физики Периметр в Канаде и его коллеги из США предложили способ обойти данное ограничение. Для его реализации необходимо обеспечить взаимодействие низкоэнергетической частицы темной материи с ядром в метастабильном состоянии. В таком случае ядро вернется в основное состояние, а выделившаяся энергия будет распределена между частицей темной материи и излученным фотоном. В результате получается ускоритель для темной материи, который может перевести энергию искомых частиц в подходящий для регистрации диапазон.
Для реализации задумки рядом с обычным детектором темной материи необходимо поместить резервуар с метастабильными ядрами. Необходимо подобрать ядра с малой вероятностью спонтанного перехода в основное состояние, чтобы они могли оставаться метастабильными в течение долгого времени.
Теоретически, такой метод предоставляет три возможности наблюдать искомый сигнал: по излучению фотона при распаде метастабильного состояния, по вторичному рассеянию темной материи в теле детектора или по распаду самой частицы темной материи из-за получения большой энергии.
Авторы называют четыре изомера наиболее подходящими для этой цели: 180mTa, 177mLu, 137mBa и 78mHf. Для времени полураспада тантала существует лишь нижняя граница на уровне 1016 лет, у бария оно равно 2,55 минутам, у лютеция — 160 дням, а у гафния — 31 году. Тантал можно добывать из естественных источников, данный изомер настолько устойчив, что его распад никогда еще не наблюдался, барий накапливается в отходах атомных реакторов, лютеций — в отходах от радионуклидного лечения рака, гафний остался от неудавшихся старых экспериментов по попыткам сохранения энергии в метастабильных изомерах.
nplus1.ru, 2020
https://nplus1.ru/news/2020/03/04/dark-matter-accelerator
Журнал Physical Review D. 2020
Максим Поспелов (Maxim Pospelov) из Института теоретической физики Периметр в Канаде
https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.101.055001
Глава 11-12-12
Новые поиски темной материи предложили вести на старых детекторах
Май 2020
Физики проанализировали возможные механизмы поглощения частиц темной материи и показали, что такие реакции могут регистрировать уже существующие детекторы. Это дает возможность приспособить ряд имеющихся экспериментов для поиска гипотетических частиц и получить новые ограничения на их параметры, почти не прибегая к дополнительным затратам. Текст работы опубликован в журнале Physical Review Letters.
Американская исследовательская группа из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли и Калифорнийского университета под руководством Джеффа Дрора (Jeff Dror) представила новый метод поиска гипотетических частиц. Авторы сосредоточились на реакциях поглощения — в отличие от рассеяния, при котором происходит обмен только кинетической энергией, в таких процессах налетающая частица передает мишени (как правило, атомному ядру) еще и свою энергию покоя. Реакцию можно обнаружить по ее продуктам — частицам, рождающимся в результате столкновения. Их характеристики измеряют при помощи специальных детекторов, после чего, используя законы сохранения, определяют тип налетающей частицы и ее свойства.
Ученые исследовали два вида реакций: в одном случае продуктом становится нейтрино, а в другом — бета-частица (то есть электрон или позитрон). При этом для рассмотренных мишеней оба процесса не могут происходить самопроизвольно: для их протекания нужна дополнительная энергия. Последнее позволяет исключить ошибочные сигналы: в таких условиях регистрация нейтрино или бета-частицы на детекторе гарантирует, что в мишень что-то врезалось, и необходимо лишь установить тип налетающей частицы.
По результатам исследования авторы установили, что в реакциях с испусканием нейтрино, которые протекают при участии частиц темной материи, ядро-мишень приобретает строго определенные значения энергии. Это позволит в будущем легко отсеивать лишние данные — то есть снизить фон и улучшить чувствительность экспериментов. Для процессов с участием бета-частиц физики предсказали целую цепочку последующих реакций, которой сопутствует рождение ряда известных частиц. Благодаря этому обнаружить поглощение также становится значительно проще. Кроме того, ученые заключили, что для поиска темной материи по новой методике можно использовать уже существующие детекторы. Их чувствительность позволяет если не обнаружить гипотетические частицы, то, по меньшей мере, получить важные ограничения на их параметры, которые помогут в дальнейших экспериментах. Таким образом, в этой области можно добиться значительного прогресса, затратив минимальные усилия на приспособление установок.
nplus1.ru, 6 мая 2020, Николай Мартыненко
https://nplus1.ru/news/2020/05/06/dark-matter-absorption
Журнал Physical Review Letters, 2020
Джефф Дрор (Jeff Dror)из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли и Калифорнийского университета
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.181301
Глава 11-12-13
Новая модель показывает, как выглядела бы темная материя, если бы была видимой
Сентябрь 2020
Фиксировать присутствие темной материи можно только по ее гравитационному влиянию на свет и другие формы материи. Еще больше сложностей добавляет тот факт, что попытки напрямую обнаружить темную материю на Земле до сих пор ни разу не увенчались успехом. Однако астрономы постоянно разрабатывают новые модели темной материи, сравнивая затем их с результатами наблюдения и оценивая таким образом точность модели. Исследование опубликовано в журнале Nature.
Несмотря на «неуловимость» темной материи, нам кое-что удалось о ней узнать. Нам известно, что она не только темная, но еще и холодная. В результате при формировании сгустков темной материи зарождаются ядра галактических скоплений. Также темная материя формирует гало, окружающие галактики, на которые приходится большая часть массы галактики. Однако до сих пор у нас остается без ответа много вопросов о темной материи, поэтому астрономы постоянно разрабатывают новые модели темной материи, сравнивая затем их с результатами наблюдения и оценивая точность модели.
Команда астрономов из Гарвард-Смитсоновского астрофизического центра, США, во главе с Дж. Вангом (J. Wang) запустила подробное моделирование космоса, в котором доминирует темная материя, и некоторые из результатов этого моделирования оказались весьма неожиданными. В качестве частицы темной материи команда приняла модель слабо взаимодействующей массивной частицы (ВИМПа) массой порядка 100 масс протона. Моделирование показало, что темная материя формирует гало вокруг галактик, как и при реальных наблюдениях Вселенной. Однако гало при этом формировались не только в галактическом масштабе, но и на всех других масштабах, начиная от небольших гало планетного масштаба и вплоть до массивных гало, окружающих скопления галактик. Эти гало имеют схожую структуру – плотное ядро и диффузную оболочку. Тот факт, что формирование гало наблюдается на всех масштабах, делает этот процесс отличительной особенностью темной материи.
Одна из гипотез о природе темной материи предполагает, что при столкновении частиц темной материи формируется гамма-излучение. Для проверки своей модели команда Ванга предлагает оценить соответствие сделанных на ее основе прогнозов об испускаемом гамма-излучении со спектром таинственного дополнительного гамма-излучения, которое было обнаружено недавно со стороны центра Галактики.
astronews.ru, 7 сентября 2020
Журнал Nature. 2020
Дж. Ванг (J. Wang), Гарвард-Смитсоновский астрофизический центр, США
Глава 11-12-14
Новые данные показывают, что модели темной материи расходятся с наблюдениями
Сентябрь 2020
Наблюдения, проведенные при помощи космического телескопа НАСА/ЕКА Hubble («Хаббл») и Очень большого телескопа (Very Large Telescope, VLT), расположенного на территории Чили, показали, что в современных моделях поведения темной материи, вероятно, отсутствует важный компонент. Этот недостающий компонент может объяснить неожиданные расхождения, зафиксированные исследователями при сравнении наблюдений темной материи в скоплении галактик с результатами компьютерного моделирования. Согласно этим находкам, некоторые сгустки темной материи галактического масштаба вызывают эффекты гравитационного линзирования, примерно в 10 раз превышающие ожидаемые значения. Исследование опубликовано в журнале Science.