Что, если тёмная материя устроена сложнее, чем мы привыкли предполагать? Обычно кандидатов на её роль представляют отдельными элементарными частицами — например, аксионами или WIMP. Но обычная видимая материя напоминает, насколько обманчивым может быть такое предположение: атомы состоят из ядер и электронов, ядра — из протонов и нейтронов, а те, в свою очередь, из кварков. Физики из коллаборации DarkSide проверили значительно более экзотическую возможность: тёмная материя тоже может обладать собственной внутренней структурой и образовывать сверхтяжёлые объекты, напоминающие гигантские невидимые ядра.
Идея получила развитие около десяти лет назад. В таком сценарии фундаментальные частицы тёмного сектора, которые условно можно назвать тёмными нуклонами, способны связываться друг с другом ещё в ранней Вселенной. Если взаимодействие позволяет создавать устойчивые структуры, результатом могут стать объекты, содержащие миллиарды или даже гораздо больше составляющих. По отношению к привычным кандидатам в тёмную материю это принципиально иной масштаб: детектор встречается уже не с одной точечной частицей, а с массивным составным объектом конечного размера.
Это не означает, что физики обнаружили новую форму вещества. Сценарий остаётся гипотетическим, а задача эксперимента как раз состояла в попытке найти его наблюдаемые проявления. Для этого исследователи заново проанализировали данные DarkSide-50 — подземного детектора, работавшего с 2013 по 2020 год в Национальной лаборатории Гран-Сассо в Италии.
Расположение глубоко под горой необходимо не из-за самой тёмной материи. Предполагается, что она способна проходить сквозь километры обычного вещества почти беспрепятственно. Подземная лаборатория нужна прежде всего для подавления обычного фона: поверхность Земли постоянно бомбардируется космическими лучами, продукты которых способны создавать в чувствительном детекторе события, похожие на искомый сигнал. Толща горной породы работает как гигантский естественный экран.
Сердцем DarkSide-50 служил резервуар с жидким аргоном. Если частица тёмной материи взаимодействует с ядром аргона, она может передать ему небольшую энергию. Ядро отскакивает, а система регистрирует возникающие при этом световые и электрические сигналы. По их характеристикам исследователи пытаются отличить потенциальное взаимодействие тёмной материи от радиоактивности и других фоновых процессов.
Для обычного WIMP-подобного кандидата естественно ожидать отдельное столкновение с ядром. Но гигантское тёмное «ядро» должно вести себя иначе. Оно имеет конечный размер, а его взаимодействие определяется не только общей массой, но и распределением составляющих внутри. Поэтому в расчётах появляется форм-фактор — величина, описывающая влияние внутренней структуры объекта на рассеяние.
Более того, один сверхтяжёлый объект потенциально способен взаимодействовать с веществом несколько раз во время прохождения через детектор. Это меняет сам рисунок ожидаемого события. Вместо поиска исключительно редкого одиночного отскока исследователи могут искать последовательность взаимодействий, характеристики которой зависят от массы объекта, его размеров, числа составляющих и силы взаимодействия тёмных нуклонов с обычным веществом.
Семилетний массив DarkSide-50 не показал убедительных событий, которые можно было бы интерпретировать как взаимодействия такой составной тёмной материи с ядрами аргона. На первый взгляд результат выглядит как очередное отсутствие открытия. Но в физике тёмной материи отрицательный результат имеет конкретную количественную ценность: если детектор ничего не увидел, определённые комбинации массы и вероятности взаимодействия становятся несовместимыми с наблюдениями.
Таким образом, эксперимент исключил часть пространства возможных параметров сверхтяжёлой ядерной тёмной материи. Особенно интересно, что чувствительность зависит от свойств предполагаемых тёмных нуклонов. Внутреннее устройство гипотетического объекта оказывается не философской подробностью, а потенциально измеряемой характеристикой. Если подобная материя существует, эксперимент в принципе может различать варианты её структуры по тому, как она рассеивается на обычных атомных ядрах.
Здесь возникает красивая параллель с историей ядерной физики. В начале XX века эксперименты по рассеянию показали, что атом вовсе не является однородным шаром: особенности траекторий частиц раскрыли существование компактного ядра. Позднее более высокоэнергетические столкновения позволили исследовать внутреннюю структуру протонов и нейтронов. Аналогичная логика потенциально применима к тёмному сектору: если его объекты составные, характер столкновений с обычным веществом может однажды показать, что скрывается внутри них.
Почему вообще стоит рассматривать столь необычные модели? Потому что десятилетия прямых поисков пока не дали общепризнанного обнаружения традиционных кандидатов. Это не означает, что WIMP или аксионы исключены, но заставляет расширять пространство гипотез. Тёмная материя известна нам прежде всего по гравитационным эффектам, а гравитация сама по себе практически ничего не говорит о том, является ли невидимое вещество одной элементарной частицей или сложным миром со своими силами и связанными состояниями.
Если существует такой тёмный сектор, аналогия с обычной материей может пойти ещё дальше. Связанные частицы теоретически допускают собственную ядерную физику, а более сложные взаимодействия заставляют задуматься даже о своеобразной «тёмной химии». Пока это область теоретических возможностей, а не установленная картина природы. Но именно эксперименты должны определить, какие из этих возможностей остаются жизнеспособными.
Следующий этап будет значительно мощнее. Коллаборация готовит DarkSide-20k, использующий примерно в тысячу раз больше жидкого аргона, чем DarkSide-50. Увеличение активной массы означает намного больший объём, через который потенциальные частицы тёмной материи могут пройти и оставить сигнал. Это расширяет чувствительность как к традиционным кандидатам, так и к гораздо более необычным сценариям.
При этом новый анализ показывает важную вещь уже сейчас: для проверки экзотической теории необязательно всегда строить специализированный прибор с нуля. Данные существующих детекторов можно анализировать иначе, если изменить представление о том, какой сигнал следует искать. Детектор, созданный прежде всего для WIMP, способен одновременно проверять гипотезу о гигантских составных объектах.
Поиски тёмной материи поэтому всё меньше напоминают охоту за одной заранее известной частицей. Физики постепенно исследуют целое пространство возможных невидимых миров — от чрезвычайно лёгких аксионов до сверхтяжёлых составных структур. DarkSide-50 не обнаружил тёмные ядра, но показал, как их искать и какие варианты уже можно исключить. Иногда следующий шаг к открытию начинается именно с точного знания того, где искомого объекта нет.
- Понравилось: 21
А затем «Добавить на главный экран». 