Рекордные по чувствительности эксперименты LUX и PandaX пока не поймали частицы темной материи

Рис. 1. Рабочая емкость детектора LUX, которая будет заполнена жидким ксеноном. Изображение с сайта luxdarkmatter.org

На прошедшей на днях конференции Identification of Dark Matter сразу два крупных коллектива экспериментаторов, LUX и PandaX, представили свои новые данные по прямому поиску частиц темной материи. Несмотря на рекордную чувствительность установок, неуловимые частицы так и не были зарегистрированы. Ограничения сверху на сечение рассеяния улучшены в четыре раза по сравнению с прошлым рекордом, а сами коллаборации готовятся к новым сеансам наблюдений.

Поиск частиц темной материи: краткая справка

Краткое введение
См. статью Как ищут тёмную материю («Популярная механика», №3, 2016).

И как ее ищут?
Пытаются уловить в подземных детекторах слабые вспышки света, возникающие словно из ниоткуда.

А чуть подробнее?
См. первую половину новости Эксперимент LUX пока не обнаружил частицы темной материи.

И что, нашли?
Пока нет; впрочем, DAMA/Libra утверждает, что видит сигнал, но подавляющее большинство считает, что это какой-то иной эффект.

Как выражается результат?
В виде ограничения сверху на сечение рассеяния частиц темной материи для разных значений их массы.

Откуда такая дуга?
См. задачу Детектор частиц темной материи.

Материал посерьезнее
В. А. Рябов, В. А. Царев, А. М. Цховребов, 2008. Поиски частиц темной материи.

Недавние новости

2015: Подготовлен детектор крупнейшего эксперимента по поиску WIMP («N+1»).
2014: Новые данные эксперимента CoGeNT по-прежнему указывают на регистрацию частиц темной материи.
2013: Эксперимент LUX пока не обнаружил частицы темной материи.
2011: Новое доказательство существования темной материи? («Троицкий вариант»).
2009: Темное дело с темной материей («Троицкий вариант»).
2008: Эксперимент DAMA по-прежнему «видит» частицы темной материи.

Какие еще есть идеи

2015: Предложена новая идея по поиску легких частиц темной материи
2015: Следы темной материи предложили искать в эргосфере черных дыр («N+1»).
2015: Детектор на МКС увидел аномальный избыток антипротонов («N+1»).
2015: «Ищут давно, но не могут найти…» («Троицкий вариант»).
2014: В спектрах скоплений галактик обнаружена неизвестная линия излучения и возражение на эту новость: Новые результаты не подтверждают загадочную рентгеновскую линию излучения.
2014: Предсказан новый эффект, важный для интерпретации экспериментов по поиску частиц темной материи.
2014: Как найти темную материю.
2013: Первые результаты эксперимента AMS-02 интересны, но сенсаций не принесли.
2013: Эксперимент CROWS по поиску гипотетических сверхлегких частиц дал отрицательный результат.
2008: Чтобы обнаружить темную материю, нужно наблюдать центр Галактики.

Поиск частиц темной материи: общая перспектива

Поиск частиц темной материи — это одна из критически важных задач фундаментальной физики, задача, в которой схлестнулись два направления современной науки — физика микромира и космология. Согласно астрономическим наблюдениям, во Вселенной помимо звезд, планет, и газопылевых облаков есть много темной материи — вещества, которое мы не видим напрямую ни в каком диапазоне электромагнитного спектра, но которое «кучкуется» в галактиках и их скоплениях. Эта материя должна состоять из частиц нового сорта, которым нет места в Стандартной модели элементарных частиц. Но что это за частицы, каковы их массы, из какой теории Новой физики они берутся — до сих пор неизвестно. Мы знаем лишь, что этих частиц в космосе очень много и что солнечная система, в своем полете по галактике, чувствует встречный «темный ветер», который проходит сквозь, в том числе, и Землю. Поиск частиц темной материи — это попытка уловить хоть какие-то события рассеяния этих частиц на атомах подземных детекторов.

Перспективы обнаружения частиц темной материи критически зависят от двух параметров: их массы и сечения их рассеяния на атомах обычного вещества. Оба параметра нам неизвестны и могут лежать в очень широких пределах. Тот факт, что физики пока не поймали частицы темной материи, позволяет лишь установить ограничение сверху на сечение рассеяния для разных масс, но не может полностью исключить ни один диапазон их значений.

В принципе, некоторая помощь может прийти со стороны теории. Теоретики уже разработали сотни моделей Новой физики, в которых находится место и частицам-кандидатам в темную материю. Самые популярные — это так называемые вимпы, гипотетические слабо взаимодействующие тяжелые частицы с массой порядка сотен ГэВ или ТэВ. Однако поскольку ни одна из теорий еще не получила четкого экспериментального подтверждения, их предсказания остаются пока эфемерными.

В результате уже которое десятилетие между теоретиками и экспериментаторами идет своеобразная «игра в прятки». Теоретики предлагают очередные модели Новой физики, в которых предсказывается, что детекторы вот-вот обнаружат темную материю. Экспериментаторы делают очередное героическое усилие, в разы повышают чувствительность своих детекторов — и ничего не находят. Теоретики, приняв во внимание эти данные и результаты, поступающие с коллайдеров, выдвигают улучшенные модели, в которых снова предсказывается возможность частиц темной материи на пределе чувствительности детекторов. Экспериментаторы совершают очередной рывок — но снова ничего не обнаруживают.

Рис. 2. Сводка по состоянию на 2012 год результатов экспериментов по поиску частиц темной материи в области масс до 1 ТэВ и предсказаний суперсимметричных моделей. Цветные линии — ограничения сверху на сечение, полученные в экспериментах с отрицательными результатами; яркие пятна — области параметров, на которые указывали эксперименты с положительными результатами; светлые пятна в нижней части диаграммы — теоретические предсказания. Изображение с сайта pdg.lbl.gov (PDF, 250 КБ)

Впрочем, в последнее десятилетие или около того в этой области наблюдалось некоторое воодушевление. Чувствительность детекторов подобралась к области на плоскости параметров, на которую указывало много теоретических конструкций, включая разные версии суперсимметричных моделей — а они у теоретиков всегда в почете. Это область масс в несколько сот ГэВ и сечений рассеяния порядка 1 зептобарна (1 зб = 10−45 см2), см. рис. 2. Новые частицы таких масс как раз ожидались в преддверии запуска Большого адронного коллайдера и, по счастливому совпадению, именно к этому диапазону наиболее чувствительны детекторы. Поэтому физики надеялись, что еще один рывок экспериментальных технологий позволит наконец-то добраться до заветных неуловимых частиц.

Последние три года

Чтобы повысить шансы на поимку частиц темной материи, надо взять детектор побольше, поместить его в условия, где нет посторонних сигналов, и долго сидеть и ждать. Поэтому две ключевые характеристики детекторов темной материи — это полная экспозиция (то есть масса чувствительного вещества, помноженная на время; обычно измеряется в кг·днях) и ожидаемый уровень ложноположительных срабатываний (он опирается на экранировку космических лучей, использование сверхрадиочистых материалов, и надежные алгоритмы разделения фоновых и сигнальных событий). Если десятилетие назад типичные массы составляли килограммы, а темп фоновых процессов оставался довольно большим, то сейчас детекторы работают уже с сотнями кг чувствительного вещества, а количество ложноположительных срабатываний не превышает нескольких в год, а иногда даже опускается до нуля.

За последнее время «вести с фронтов» регулярно появлялись в научно-популярных новостях (см. краткую справку). Из последних обновлений самым существенным было сообщение о первых результатах эксперимента LUX, самого чувствительного из детекторов темной материи с массой до тонны (Эксперимент LUX пока не обнаружил частицы темной материи, «Элементы», 31.10.2013). Эта установка была запущена в середине 2013 года, и за первый сеанс работы чистое наблюдательное время составило 85 дней. Масса рабочего вещества в центральной, самой надежной для анализа области детектора (fiducial volume) составила 118 кг, что дало полную экспозицию 10 тысяч кг·дней. В конце октября, обработав данные этого сеанса работы, физики выдали результат: частиц темной материи по-прежнему не видно, а новое ограничение сверху на сечение взаимодействия по сравнению с предыдущим рекордсменом, экспериментом XENON100, было улучшено в два и более раз.

Рис. 3. Ограничение сверху на спин-независимое сечение рассеяния частиц темной материи с массой от 2 до 1000 ГэВ на нуклоне. Кривая LUX 2014 — исходный результат LUX по данным первого сеанса работы в 2013 году; черная жирная линия — результат обновленного анализа тех же данных; зеленая и желтая полосы — области, в которых, как ожидалось на основе моделирования, должна была пройти эта кривая. Прочие цветные линии — результаты других экспериментов по поиску частиц темной материи. График из статьи D. S. Akerib et al., 2016. Improved Limits on Scattering of Weakly Interacting Massive Particles from Reanalysis of 2013 LUX Data

Интересно, что, хотя публикация LUX с этими данными вышла еще в начале 2014 года, члены коллаборации продолжали оптимизировать методику обработки данных и оценку фоновых процессов. За прошедшее время они научились еще лучше калибровать детектор (в особенности, с помощью новой методики, использующей бета-распад трития, см.: D. S. Akerib et al., 2016. Tritium calibration of the LUX dark matter experiment), оптимизировали алгоритм восстановления событий, набрались опыта в понимании фоновых событий, вызванных процессами на стенках рабочего объема. Всё это позволило им улучшить чувствительность детектора примерно на 20% для тяжелых частиц темной материи, и в разы — в области масс ниже 10 ГэВ (рис. 3). Нижняя граница чувствительности сместилась ниже 4 ГэВ, что изначально для ксеноновых детекторов не предполагалось. Статья с окончательным анализом данных 2013 года и уже с экспозицией 14 тысяч кг·дней была опубликована совсем недавно, в апреле этого года (D. S. Akerib et al., 2016. Improved Limits on Scattering of Weakly Interacting Massive Particles from Reanalysis of 2013 LUX Data).

Новые результаты

С технической точки зрения, первые результаты LUX продемонстрировали прекрасную работоспособность установки и алгоритмов анализа данных, поэтому оставалось только запастись терпением и продолжать набор данных. Новый сеанс LUX стартовал 11 сентября 2014 года и завершился уже в этом году, 3 мая. Чистое наблюдательное время за этот период составило 332 дня, поскольку время от времени наблюдения перемежались регулярными сеансами калибровки детектора. Объем надежной области детектора был выбран чуть поменьше, что дало массу примерно 100 кг, и полная экспозиция за весь сеанс наблюдений составила 33,5 тысяч кг·дней. Тем не менее, это втрое превысило экспозицию первого сеанса.

Параллельно с этим продолжали строиться, развиваться, и постепенно выходить из тени LUX другие детекторы частиц темной материи. Так, китайский детектор PandaX, также использующий в качестве чувствительного вещества жидкий ксенон, провел в 2014 году первый скромный сеанс работы и установил ограничение сверху, которое тогда еще на порядок уступало результатам LUX. Однако в прошлом году физики существенно нарастили объемы установки, резко снизили фон, и с марта по июнь 2016 года провели новый сеанс набора данных (PandaX-II, Run 9). Благодаря большей, чем у LUX, массе рабочего вещества (полная масса — полтонны, надежная — 300 кг), полная экспозиция PandaX-II за такой короткий период сравнялась с LUX и составила 33,2 тысячи кг·дней.

На конференции Identification of Dark Matter, прошедшей с 18 по 22 июля в Шеффилде, Великобритания, оба коллектива представили предварительные данные со своих последних сеансов работы. Оба детектора зарегистрировали несколько сотен (PandaX) и тысяч (LUX) событий-кандидатов, однако все они либо демонстрировали характеристики, типичные для распадов радиоизотопов, либо происходили вблизи границ детектора. Из всех событий PandaX только одно пришло все критерии отбора, — и то, оно было на грани допустимого. В случае LUX после отсева фона вообще не осталось ни одного события в сигнальной области. Таким образом, частицы темной материи не были найдены ни в одном из этих рекордных по чувствительности экспериментов.

Рис. 4. Новые ограничения сверху на спин-независимое сечение рассеяния по данным первого наблюдательного сеанса PandaX-II (слева) и полного двухлетнего сеанса LUX (справа). Изображения из обсуждаемых презентаций

Отрицательный результат обоих экспериментов позволил установить еще более жесткие ограничения сверху на сечение рассеяния частиц темной материи на нуклонах (рис. 4). Показанные здесь кривые отвечают предположению, что сечение рассеяния не зависит от спина; обе коллаборации обещают в будущем показать ограничения и на спин-зависящие сечения. Эксперимент PandaX-II вдвое улучшил предыдущий результат LUX (рис. 4, слева), однако коллаборация LUX тут же перебила это достижение (рис. 4, справа). Самое жесткое ограничение было установлено для масс порядка 40–50 ГэВ и составило 0,27 зб для PandaX-II и 0,22 зб для LUX. Для более тяжелых частиц, с массой 200–300 ГэВ, оба эксперимента закрыли сечение выше 1 зб. Если теперь вновь взглянуть на рис. 2, то можно увидеть, что установки PandaX и LUX вторглись глубоко в область предсказаний суперсимметричных теорий и принялись безжалостно закрывать существенные куски ожидаемого пространства параметров.

Планы на ближайшие годы

Что касается планов на будущее, то тут пока остается широкое поле для улучшений. Во-первых, PandaX-II продолжит набор данных и собирается увеличить экспозицию в несколько раз. Во-вторых, в марте этого года начал набор данных новый эксперимент XENON1T, тоже ксеноновый детектор с массой рабочего вещества в надежном объеме детектора в одну тонну. При таких масштабах физики ожидают к 2018 году спуститься вниз по шкале сечений еще на порядок, вплоть до 0,02 зб, а еще через несколько лет — достичь 0,002 зб. Наконец, хотя эксперимент LUX свою работу завершил, у коллаборации уже имеются планы по существенной модернизации установки (D. S. Akerib et al., 2016. LUX-ZEPLIN (LZ) Conceptual Design Report). Новый детектор LZ будет содержать аж 10 тонн жидкого ксенона (5 тонн — в надежном объеме детектора), и, когда он вступит в строй в 2020 году, он станет самой чувствительной установкой по поиску тяжелых частиц темной материи.