Тёмная материя
Тёмная материя (ТМ) — это вид материи, на который, по оценкам, приходится 80% от общей массы Вселенной, но её невозможно напрямую обнаружить с помощью традиционных экспериментальных методов. Поскольку ТМ не излучает, не отражает и не поглощает свет, большинство предыдущих поисков тёмной материи были направлены на наблюдение либо её слабого взаимодействия с обычной материей с помощью высокочувствительных детекторов, либо других признаков, связанных с её присутствием или распадом.
Новый подход
Исследователи из Техасского университета A&M недавно представили новый подход, который может обеспечить прямое обнаружение этого неуловимого вида материи, используя 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.
Авторы рассказали Phys.org: «Природа частиц ТМ может быть раскрыта, когда частица ТМ рассеивается на ядре и производит видимый сигнал отдачи». Однако для лёгкой ТМ передача достаточной энергии тяжёлому ядру кинематически затруднена, даже если ТМ обладает энергией. Чтобы преодолеть это ограничение, исследователи разработали механизм, в котором 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 Хёнёнгом Кимом, как ожидается, повысит обнаруживаемость лёгкой ТМ в экспериментах по рассеянию. Это исследовательские усилия, направленные на наблюдение взаимодействий между ТМ и обычной материей, которые могут оставлять обнаруживаемые следы.
Авторы пояснили: «Мы предлагаем новый процесс рассеяния тёмной материи на ядре, включающий излучение пары мюонов, пары электронов или фотонов в экспериментах с нейтрино малой базы, например, на действующих установках малой базы в Фермилабе, предстоящем проекте DUNE и т. д., где ожидаются большие потоки ТМ от столкновений с протонами, но их трудно обнаружить».
Эти энергетические конечные состояния обеспечивают отличительные сигнатуры, позволяющие отделить сигналы ТМ от нейтринного фона и предложить новые способы исследования лежащих в основе моделей ТМ.
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, инициирует 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».