Новый детектор темной материи дал первые результаты

Темная материя представляет собой гипотетическую форму материи, которая слабо взаимодействует с электромагнитным излучением. Концепция восходит к 1940-м годам и ставит своей целью объяснение необычного движения галактик. При наблюдении восьми галактик в скоплении Кома американский астроном Фриц Цвикки (Fritz Zwicky) пришел к выводу, что устойчивость последнего может обеспечиваться только наличием дополнительных источников массы: показатель наблюдаемых звезд объяснял лишь десятые доли от необходимого.

Впоследствии схожая аномалия была обнаружена для других галактик. Чтобы адаптировать их скорость к Общей теории относительности (ОТО), ученые ввели в рассмотрение новое вещество.

Несмотря на то, что темная материя участвует в гравитационных взаимодействиях, ее прямое выявление в известных электромагнитных спектрах считается невозможным. По современным представлениям, она, при массе в пять раз большей, чем «обычная» материя, состоит из вимпов (Weakly Interacting Massive Particle, WIMP) — гипотетических массивных частиц.

В 2008 году исследователи из проекта DAMA сообщили о сезонной регистрации вимпов. Полученные данные они интерпретировали так: из-за оборотов Солнечной системы вокруг центра Галактики и Земли вокруг Солнца скорость планеты варьируется относительно Млечного Пути. В результате Землю, в зависимости от сезона, огибает разное количество вимпов.

Тем не менее, воспроизвести эксперимент не удалось. Осенью 2016 года на базе Национальной лаборатории Гран-Сассо в Италии начал работу сверхчувствительный детектор вимпов XENON1T. По сравнению с предшественником, XENON100, масса рабочего тела новой установки (газообразного и жидкого ксенона) была увеличена в 20 раз.

Для минимизации механических воздействий система расположена на глубине 1400 метров. Детектор представляет собой цилиндр, в котором под давлением 1,9 бара и при температуре минус 96 градусов Цельсия находится примерно 3,5 тонны ксенона. От случайных микрообъектных воздействий рабочее тело защищают несколько слоев воды и других материалов.

Регистрация вимпов происходит следующим образом. Попадая на атомы ксенона, частицы рассеиваются, приводя к возникновению фотонов и ионизации газа. Под воздействием электрического поля освободившиеся электроны вылетают из жидкости в газ и фиксируются сцинтиляционным счетчиком. В ходе последующего анализа сигнала ученые исключают из рассмотрения события, связанные с распадом изотопов.

Согласно выводам новой работы, в течение месяца XENON1T не детектировал события, ассоциирующиеся с рассеянием вимпов на нуклонах. Однако полученных данных достаточно, чтобы определить верхнюю границу сечения рассеяния (вероятности взаимодействия) с точностью 90 процентов.

Итоги исследования опубликованы на сервере препринтов arXiv.org. Ранее астрономам удалось составить самую подробную топографическую карту темной материи в трех скоплениях галактик.