Тёмная материя: что это?
Тёмная материя (ТМ) — это вид материи, на который, по оценкам, приходится около 80% всей массы Вселенной. Однако её невозможно напрямую обнаружить с помощью традиционных экспериментальных методов. Поскольку тёмная материя не излучает, не отражает и не поглощает свет, большинство предыдущих поисков тёмной материи были направлены на наблюдение её слабого взаимодействия с обычной материей с помощью высокочувствительных детекторов или других признаков, связанных с её присутствием или распадом.
Новый подход к обнаружению тёмной материи
Исследователи из Техасского университета A&M недавно представили новый подход, который может обеспечить прямое обнаружение этого неуловимого вида материи. В основе подхода лежит процесс, известный как внутреннее образование пар ТМ. Их предложенная стратегия, описанная в статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters, может открыть новые возможности для будущих поисков ТМ, сосредоточенных на широком спектре частиц-кандидатов.
«Природа частиц ТМ может быть раскрыта, когда частица ТМ рассеивается на ядре и создаёт видимый сигнал отдачи», — рассказали авторы Phys.org. «Однако для лёгкой ТМ передача достаточной энергии тяжёлому ядру кинематически сложна, даже если ТМ обладает энергией. Чтобы преодолеть это ограничение, мы разработали схему, в которой в конечном состоянии образуются дополнительные частицы, позволяя энергии ТМ распределяться между ними, в то время как ядро остаётся практически неподвижным».
Стратегия обнаружения
Стратегия обнаружения, предложенная Бхаскаром Дуттой, Апараджитой Картикеян, Мудитом Раи и Хёнёном Кимом, как ожидается, повысит вероятность обнаружения лёгкой ТМ в экспериментах по рассеянию. Это исследовательские усилия, направленные на наблюдение взаимодействий между ТМ и обычной материей, которые могут оставлять обнаруживаемые следы.
«Мы предлагаем новый процесс рассеяния тёмной материи на ядрах, включающий излучение пары мюонов, пары электронов или фотонов в экспериментах с нейтрино малой базы, например, на действующих установках по работе с нейтрино малой базы в Фермилабе, в предстоящем проекте DUNE и т. д., где ожидаются большие потоки тёмной материи от столкновений с протонами-мишенями, но их трудно обнаружить», — пояснили авторы.
«Эти энергетические конечные состояния обеспечивают отличительные признаки, позволяющие отделить сигналы тёмной материи от нейтринного фона и предложить новые способы исследования лежащих в основе моделей тёмной материи», — добавили они.
Подход к обнаружению тёмной материи, предложенный Дуттой и его коллегами, основан на теории, предсказывающей, что энергетические частицы тёмной материи могут сталкиваться с ядрами в плотных материалах, таких как те, которые используются в различных крупномасштабных экспериментах с ТМ. Эти столкновения могут привести к обмену временной квантовой флуктуацией света, известной как виртуальный фотон, что, в свою очередь, вызывает образование пары лептон-антилептон.
Исследователи предлагают стратегию извлечения энергетических и видимых сигналов, связанных с образованием этих пар, что до сих пор оказывалось затруднительным. Этот подход может быть использован в рамках будущих поисков ТМ, потенциально способствуя её обнаружению и проливая свет на её происхождение и состав.
«Пока мы применили наш недавно разработанный механизм в контексте экспериментов с нейтрино малой базы», — добавили авторы. «Воодушевлённые этими результатами, мы планируем распространить этот подход на поиск тёмной материи, присутствующей в галактике, или произведённой в астрофизических источниках, таких как блазары. В таких сценариях результирующие энергетические сигналы могут быть обнаружены в различных экспериментах по прямому и непрямому обнаружению тёмной материи, а также в крупных нейтринных детекторах, таких как DUNE, Hyper-Kamiokande, JUNO, IceCube и KM3NeT».
published in Physical Review Letters, could open new possibilities for future DM searches focusing on a wide range of candidate particles.”,”\”The particle nature of DM can be revealed when a DM particle scatters off a nucleus and produces a visible recoil signal,\” the authors told Phys.org. \”However, for light DM, transferring sufficient energy to a heavy nucleus is kinematically challenging, even if the DM is energetic. To overcome this limitation, we developed a framework where additional particles are produced in the final state, allowing the DM’s energy to be shared among them, while the nucleus remains largely at rest.\””,”The detection strategy proposed by Bhaskar Dutta, Aparajitha Karthikeyan, Mudit Rai, and Hyunyong Kim is predicted to enhance the detectability of light DM in scattering experiments. These are research efforts aimed at observing interactions between DM and ordinary matter that can leave detectable traces.”,”\”We propose a novel dark matter–nucleus scattering process involving the emission of a muon pair, electron pair, or photons in short-baseline neutrino experiments, e.g., ongoing short-baseline neutrino facilities at Fermilab, upcoming DUNE, etc., where large dark matter fluxes are expected from the proton-target collision but hard to detect,\” explained the authors.”,”\”These energetic final states provide distinctive signatures to separate dark matter signals from neutrino backgrounds and offer new ways to probe the underlying dark matter models.\””,”The approach for detecting dark matter proposed by Dutta and his colleagues is rooted in theory predicting that energetic dark matter particles can collide with nuclei in dense materials, such as those employed by various large-scale DM experiments. These collisions can result in the exchange of a temporary quantum fluctuation of light, known as a virtual photon, which in turn prompts the formation of a lepton-antilepton pair.”,”The researchers propose a strategy for extracting energetic and visible signals associated with the formation of these pairs, which has so far proved difficult. This strategy could be employed as part of future DM searches, potentially contributing to its detection and shedding light on its origin and composition.”,”\”So far, we have applied our newly developed mechanism in the context of short-baseline neutrino experiments,\” added the authors. \”Encouraged by these results, we plan to extend this approach to search for dark matter present in the galaxy or produced in astrophysical sources such as blazars.”,”\”In such scenarios, the resulting energetic signals could be detectable in various dark matter direct and indirect detection experiments, as well as in large neutrino detectors such as DUNE, Hyper-Kamiokande, JUNO, IceCube, and KM3NeT.\””,”\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t © 2025 Science X Network\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t “,”\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Other Physics Topics\n\t\t\t\t\t\t “]’>Источник