26 августа была обнародована важная и долгожданная информация о текущих результатах международной научной коллаборации LUX–ZEPLIN (LZ), занятой поиском частиц темной материи1. Эти сообщения были одновременно сделаны на конференциях TeV Particle Astrophysics в Чикаго и LIDINE в Сан-Пауло. Ученые подвели итог двух раундов наблюдений на самом чувствительном в мире ксеноновом детекторе частиц темной материи, установленном на глубине 1480 м на бывшем золотом руднике Хоумстейк в Южной Дакоте (сейчас там расположена подземная лаборатория Sanford Underground Research Facility, SURF). В общей сложности наблюдения заняли 280 дней: 60 в течение первого раунда и еще 220 во втором, с марта 2023 года по апрель 2024-го. Основная новость: никаких следов частиц темной материи пока не обнаружено.
Детектор нового поколения
Проект LZ стал наследником предшествующего проекта LUX (Large Underground Xenon experiment), который проводился в той же подземной лаборатории в 2013–2016 годах. Для него был использован детектор куда меньших размеров, который первоначально заполнялся 118 кг жидкого ксенона, а на заключительном этапе — 368 кг. Затем он был деактивирован, поднят на поверхность и сейчас экспонируется в построенном в 2015 году гостевом центре SURF.
Для подготовки более крупномасштабного — и потому более репрезентативного — эксперимента члены коллаборации LUX объединили силы с коллегами из Великобритании, которые в 2006–2011 годах работали на небольшом (всего лишь 12 кг жидкого ксенона) детекторе частиц темной материи ZEPLIN. Этот прибор был смонтирован в Подземной лаборатории Булби (Boulby Underground Laboratory), расположенной вблизи города Лофтус в английском графстве Норт-Йоркшир. Так возникла нынешняя коллаборация LZ, объединяющая около 250 физиков и инженеров из 38 научных центров США, Великобритании, Португалии, Швейцарии, Южной Кореи и Австралии. Благодаря их усилиям был построен суперсовременный детектор, вмещающий 10 тонн ксенона — поистине квантовый скачок по сравнению с предшественниками!
Рабочая камера детектора представляет из себя цилиндр полутораметрового диаметра и примерно такой же высоты, помещенный в титановый криостат. Она заполнена жидким ксеноном, небольшая часть которого находится в газообразной фазе (смысл этой двухфазной схемы я объясню позднее). Детекторный комплекс оснащен системой измерительной аппаратуры, предназначенной для регистрации электромагнитных сигналов, которые могут порождать частицы темной материи при столкновениях с атомами рабочего тела (т. е. ксенона). Он также с максимальной надежностью защищен от внешних воздействий и снабжен электронными фильтрами, предназначенными для выявления и нейтрализации ложных и паразитных сигналов. В общем, это весьма сложный приборный комплекс, работа которого основана на самых современных технологиях физического эксперимента.
Результаты эксперимента
Теперь перейдем к первым результатам работы нового детектора. Коллаборации LZ, как и ее предшественникам LUX и ZEPLIN, не удалось зарегистрировать ни одной частицы темной материи того теоретически предсказанного семейства, которое они искали. Речь идет о так называемых вимпах (weekly interacting massive particles, WIMPs), гипотетических стабильных нерелятивистских субатомных частицах, которые еще лет десять назад считались главными претендентами на роль основного или даже единственного компонента темной материи. В настоящее время эта парадигма, в основном, ушла в прошлое, хотя в появившемся 26 августа сообщении на сайте коллаборации LZ вимпы по-прежнему названы одними из основных кандидатов в частицы темной материи. Как бы то ни было, физическая реальность вимпов как была, так и осталась неподтвержденной.
Однако участники коллаборации не только вновь расписались в отсутствии сигналов, которые можно было бы интерпретировать как хотя бы слабое свидетельство существования вимпов. Куда важнее то, что они заново оценили верхний предел массы этих частиц (конечно, в предположении, что таковые действительно существуют). Оказалось, что этот предел с высокой степенью вероятности не может превышать 9 ГэВ — в противном случае вимпы почти наверняка были бы обнаружены. Это не так уж много, если учесть, что масса бозона Хиггса приблизительно равна 125 ГэВ, а массы промежуточных векторных бозонов W+, W– и Z, которые «работают» переносчиками слабого ядерного взаимодействия, равны соответственно 80 и 91 ГэВ.
Разумеется, эту информацию следует интерпретировать в свете возможностей прибора, на котором она была получена. Почивший в бозе детектор LUX имел оптимум чувствительности в районе 30 ГэВ. Поэтому нулевой результат его работы поставил под сомнение существование относительно легких вимпов с массами от 20 до 100 ГэВ. Теперь коллаборация LZ, чей детектор почти впятеро чувствительней предшественника в области сравнительно небольших масс, «закрыла» вимпы с массами, в девять и более раз превышающими массу протона. Однако на поиск вимпов с массами в диапазоне от 500 до 1000 ГэВ этот прибор не рассчитан. Здесь могут помочь детекторы на благородных газах с массами рабочего вещества в десятки и даже сотни тонн, которые сейчас разрабатываются. В частности, этим занимается созданная в 2017 году крупная международная исследовательская ассоциация Global Argon Dark Matter Collaboration, объединяющая свыше 500 участников из более чем сотни институтов четырнадцати стран. Но вот когда эти проекты заработают, вопрос пока открытый.
Ксенон как рабочее тело
Теперь несколько слов о принципах поиска вимпов на ксеноновых детекторах. Теории, на которых основана «вимповая парадигма», утверждают, что в одном кубическом метре пространства вблизи земной поверхности может содержаться от нескольких сотен до нескольких тысяч вимпов. При столкновениях с ядрами атомов обычной материи они теряют часть кинетической энергии и отдают ее детектору. Хотя такие столкновения могут происходить не чаще нескольких раз в сутки, а выделяемая энергия очень мала, их можно не только зарегистрировать, но и отделить от столкновений с космическими лучами и осколками земных радионуклидов.
Могут существовать три основных способа прямой регистрации вимпов. Во-первых, при отскоке ядра могут излучаться кванты света (сцинтилляция), которые улавливаются фотоумножителями. Во-вторых, при столкновении с вимпом атом может потерять часть электронов и превратиться в ион, а эти электроны можно зарегистрировать. В установках на жидком ксеноне, которые сейчас лидируют по чувствительности, фиксируются как сцинтилляционные фотоны, так и электроны ионизации. Аппаратные детали я затрагивать не буду. Отмечу только, что для этого используются решетки высокочувствительных фотоумножителей и что все релевантные технологии измерений и способы оценки их результатов давно и хорошо отработаны. При этом благородные газы, такие как ксенон и аргон, особенно подходят в качестве рабочего тела таких детекторов.
Двухфазный метод регистрации вимпов, предполагающий сосуществование жидкой и газообразной фаз рабочего тела, в свое время был впервые применен на детекторе ZEPLIN. Он позволил сильно повысить вероятность регистрации ионизационных электронов и нашел применение на позднейших детекторах, включая установку коллаборации LZ. Нельзя не напомнить, что впервые его в конце 1960-х годов предложили советские физики Б. А. Долгошеин, В. Н. Лебеденко и Б. У. Родионов, хотя и в другом экспериментальном контексте.
Рождение гипотезы вимпов
Поиски вимпов ведутся с конца прошлого века. В 1978 году знаменитый космолог и астрофизик Джеймс Эдвард Ганн, профессор Принстонского университета, и четверо его соавторов привели серьезные аргументы в пользу гипотезы, согласно которой стабильные массивные нейтральные лептоны могут доминировать в формировании современной плотности массы Вселенной и цементировать своим тяготением скопления галактик2. В этой формулировке слово «лептоны» сейчас выглядит анахронизмом, хотя его в те годы употребляли в схожих контекстах и другие ученые, включая таких классиков теоретической физики, как Бенджамин Ли и Стивен Вайнберг. Однако высказанная в этой статье идея существования нераспадающихся массивных и электрически нейтральных частиц, которые накапливаются в галактических гало и формируют основную часть их массы, оказалась очень плодотворной. Всего через несколько лет было показано, что скопления частиц с такими свойствами могут формировать гравитационные колодцы, которые способствуют образованию галактик и стабилизируют скорости периферийных звезд, — следовательно, «решают» те же задачи, что и гипотетическая темная материя. Поэтому не будет преувеличением сказать, что статья Ганна и его соавторов в значительной степени дала начало концепции вимпов. Сам этот термин был предложен несколько позже, в середине 1980-х годов.
Теория утверждает, что вимпы из-за большой массы уже на стадии рождения первых галактик (а фактически гораздо раньше) были обязаны двигаться много медленней света. Поэтому их называют холодными частицами — в отличие, скажем, от «горячих» нейтрино, движущихся почти что со скоростью света. Все эти и другие релевантные соображения, высказанные во многих публикациях, привели к тому, что четыре десятилетия назад возникла концепция нерелятивистской темной материи, которая как минимум на четверть века стала одной из ключевых парадигм астрономии и космологии. С тех пор теоретики придумали множество версий частиц, из которых может состоять такая материя, а экспериментаторы сконструировали и опробовали различные детекторы, предназначенные для их регистрации. К их числу относится ныне действующая установка коллаборации LUX-ZEPLIN.
Вимпы и их конкуренты в краткой экспозиции
О вимпах, как и о других гипотетических компонентах темной материи, можно рассказывать очень долго, но в мою заметку эта информация уж точно бы не влезла. Поэтому ограничусь главным. Вимпы не описываются Стандартной моделью элементарных частиц, которая с середины 1970-х годов служит основой физики микромира. Поэтому они не могут называться ни лептонами, ни адронами — это просто терминологически неверно. Они способны лишь слабо взаимодействовать как друг с другом, так и с барионной материей (в частности, никак не реагируют на фотоны — кванты электромагнитного поля). В то же время они обязаны создавать поля тяготения, как и частицы Стандартной модели. Именно поэтому их и называют вимпами.
Вероятно, самые популярные претенденты на звание вимпов были предложены на основе теории суперсимметрии3. Она утверждает, что у каждой частицы Стандартной модели есть так называемый суперпартнер (или суперпартнеры), чей спин на ½ отличается от ее собственного. Поэтому частицам с полуцелым спином — фермионам — соответствуют суперпартнеры с целым спином — бозоны, — в то время как суперпартнерами бозонов являются фермионы. Суперчастицы, в принципе, могут распадаться, но самая легкая из них обязана быть стабильной. Именно ее долго и считали лучшим кандидатом на роль частицы темной материи и пытались зарегистрировать во многих экспериментах. Из всех теоретически мыслимых версий такой частицы специалисты долго предпочитали нейтралино — квантовую смесь суперпартнеров фотона, Z-бозона и бозона Хиггса. Эта гипотетическая композиция позволяет оценить и время рождения нейтралино — они должны были появиться на свет, когда возраст Вселенной дошел до 10–10 с. Впрочем, теоретики рассмотрели и много других возможностей рождения вимпов.
Отсутствие прогресса в поисках вимпов в последние годы повысило интерес к еще одному семейству кандидатов в темную материю — легким слабовзаимодействующим частицам, виспам (Weekly Interacting Slim Particles, WISPs). Такими частицами могут оказаться так называемые аксионы, чье существование было предположено на основе гипотезы, выдвинутой в 1977 году Роберто Печчеи и Элен Квинн. Эти физики пытались разрешить довольно неприятную проблему теории сильных ядерных взаимодействий — квантовой хромодинамики. В ее основное уравнение не заложено сохранение CP-симметрии, которая осуществляет зеркальное отражение и меняет частицы на античастицы. Нарушение этой симметрии должно приводить к появлению у нейтрона дипольного электрического момента, который не наблюдается в эксперименте. Печчеи и Квинн предложили красивую модель, снимающую это противоречие. Как вскоре независимо показали Стивен Вайнберг и Фрэнк Вильчек, из этой модели вытекает существование чрезвычайно легких стабильных частиц, которые не несут электрических зарядов, но в сильных и протяженных магнитных полях индуцируют возникновение фотонов. Это и есть аксионы. Позднее космологи показали, что аксионы могут быть вполне приемлемыми кандидатами в частицы темной материи.
Аксионы как частицы темной материи должны быть намного легче нейтрино. Согласно теоретическим оценкам, их массы не могут превышать 10–4–10–6 эВ, но способны оказаться и много меньше. Как ни странно, при этом они движутся с нерелятивистскими скоростями — это всё еще «холодная» версия темной материи. Великое множество таких частиц могло родиться вскоре после Большого взрыва и, подобно вимпам, ликвидировать наблюдаемый дефицит массы Вселенной, который, как известно, стал причиной появления гипотезы темной материи. Ищут их с начала 1990-х годов — и опять-таки безрезультатно.
Есть и другие теоретические (и всё еще не обнаруженные!) версии темной материи — сверхтяжелые реликтовые частицы, реликтовые черные дыры с массой порядка нескольких солнечных масс, суперпартнеры аксионов (аксино) либо гравитонов (гравитино), так называемая зеркальная материя… Но это уже чистая экзотика.
Подводя итоги
Теперь вернемся к эксперименту LZ. Участники коллаборации планируют довести общую продолжительность наблюдений до 1000 дней, что потребует еще нескольких лет интенсивной работы. При этом они намерены искать не только столкновения частиц темной материи с атомами ксенона, но и другие редкие и важные для физики события. В их число входят предсказанные теоретически, но пока не обнаруженные в эксперименте безнейтринные двойные бета-распады атомных ядер, приводящие к увеличению заряда ядра на две единицы, но не сопровождающиеся испусканием нейтрино. Открытие таких ядерных превращений было бы доказательством несохранения лептонных зарядов, а также показало бы, что нейтрино является своей собственной античастицей с ненулевой массой. Один из возможных актов такого распада — превращение ядра нестабильного, но очень долгоживущего изотопа ксенона с атомным весом 136 (его период полураспада на 11 порядков превышает время существования Вселенной!) в ядро бария-136 плюс два электрона. Есть надежда зарегистрировать такие превращения и на детекторе LZ, что стало бы поистине фундаментальным открытием. Кроме того, LZ и другие новейшие детекторы на благородных газах с многотонными массами рабочего вещества могут применяться для регистрации нейтрино, рожденных в термоядерных реакциях на Солнце, и первые успехи в этом направлении уже имеются. Об этом говорилось в июле на состоявшемся в Италии международном семинаре по технологиям регистрации темной материи. На этой встрече команды китайского газового детектора PandaX-4T и его итальянского собрата XENONnT доложили о возможной регистрации солнечных нейтрино. Об этих результатах, которые пока получены с довольной скромной статистической достоверностью (на доверительном уровне менее 3 σ вместо стандартных пяти) сообщается в разделе «Новости физики в Интернете»4 в сентябрьском выпуске «Успехов физических наук».
Но это в любом случае дело будущего. А пока как же быть с вимпами? Результаты многочисленных экспериментов последних десятилетий привели к закрытию многих теоретических моделей этих частиц, некоторые из которых в свое время выглядели весьма привлекательно. Например, сейчас сильно уменьшилось доверие к описанию взаимодействия вимпов с атомными ядрами посредством обмена бозонами Хиггса, в недавнем прошлом весьма высокое. В то же время физики всё еще рассматривают немало правдоподобных моделей вимпов, которые пока невозможно проверить ни в астрофизических наблюдениях, ни в экспериментах на ускорителях. Так что «вимповая парадигма» (The WIMP Paradigm) всё еще жива, хотя уже потеряла свою былую квазимонополию. В рамках этого понимания ее нынешней роли и следует оценивать только что опубликованные результаты коллаборации LZ.
Конечно, поиск частиц темной материи через их столкновения с атомами тех или иных рабочих веществ (а ими могут быть не только газы, но и кристаллические структуры) — отнюдь не единственный путь. Для отлова частиц с массами заметно меньше 1 ГэВ (в англоязычной литературе они называются sub-GeV dark matter) могут использоваться их столкновения с электронами. Это новое направлении в охоте за темной материей, и оно сейчас постепенно набирает популярность. Однако же здесь (как, впрочем, и в газовых детекторах) возникает проблема так называемого нейтринного тумана (neutrino fog). Речь идет о рождении нейтринного фона, который будет вуалировать сигналы от частиц темной материи и тем самым затруднять их детектирование. Эта опасность особенно велика в том случае, если массы частиц будут измеряться всего лишь сотнями или десятками электронвольт. Пока что экспериментаторы до нейтринного тумана еще не дошли, но, как считается, это время не за горами. Его следы как раз и были выявлены в экспериментах на детекторах PandaX-4T и XENONnT.
Мнения экспертов
Я попросил прокомментировать проблему поиска и нынешнего статуса вимпов члена-корреспондента РАН Сергея Вадимовича Троицкого, главного научного сотрудника Института ядерных исследований РАН. И вот что он написал:
«Считаю поиски WIMP’ов — вплоть до „нейтринного тумана“, который раньше назывался нейтринным полом и уже практически достигнут (два эксперимента по поиску темной материи уже выдали потоки солнечных нейтрино!), — очень важными, результаты LZ отличные. Но не менее важно прорабатывать и другие варианты.
Дело в том, что изначальная мотивация для частиц темной материи „навроде WIMPs“ состояла в естественности их теплового рождения в нужной концентрации в ранней Вселенной. Но требуемые для этого наиболее естественные параметры WIMPs давно закрыты, и поиски идут в области масс и сечений на порядки ниже. Это первое.
Далее, именно слабое взаимодействие (в смысле слабого взаимодействия Стандартной модели, как у нейтрино) было мотивировано суперсимметричными моделями. Легчайший суперпартнер должен был быть хорошим кандидатом на роль темной материи, потому что он стабилен — и попадал, в случае низкоэнергетической суперсимметрии, в нужные массы. Но это всё очень сильно „порезано“ с помощью LHC, так что тут уже всякая мотивация пропала. Это второе.
Поэтому WIMPs теперь — одни из кандидатов. А предпочтительных или самых популярных нет.
Современные эксперименты по прямому поиску WIMP заточены на низкие массы по одной простой причине — там самый низкий фон, легче дальше продвинуться, а раньше не особо этой областью интересовались.
Будущих проектов много (ARGO, DARWIN и т. д.), дойдут они, конечно, до нейтринного тумана, и будет хорошо. Может, что-нибудь интересненькое удастся сделать на Баксанской нейтринной обсерватории ИЯИ РАН, это обсуждается.
А при больших массах WIMPs удобнее искать через аннигиляционные и распадные излучения в астрофизике (indirect searches)».
В том же духе, хотя лаконичнее, высказался и известный американский астрофизик, профессор Гарвардского университета Ави Лёб:
“It is humbling that we do not know the nature of 85% of the matter in the Universe. Over the past forty years, the prevailing paradigm was that it is made of weakly-interacting massive particles (WIMPs). By now, most of the original parameter space of particle mass and interaction cross-section envisioned for WIMPs is ruled out. The LZ experiment found no evidence for particles with a mass above 9 times the proton mass, but it placed the best-ever limits on WIMPs, five times better than previous results”5.
Пожалуй, на этом пока можно закончить.
Алексей Левин
1 newscenter.lbl.gov/2024/08/26/lz-experiment-sets-new-record-in-search-for-dark-matter/
2 Gunn J. E. et al. Some astrophysical consequences of the existence of a heavy stable neutral lepton // Astrophysical Journal, Part 1, vol. 223, Aug. 1, 1978.
3 trv-science.ru/2022/11/za-predelami-standartnoj-modeli/
5 «Унизительно, что мы не знаем природу 85% материи во Вселенной. За последние сорок лет преобладающей парадигмой было то, что она состоит из слабовзаимодействующих массивных частиц (WIMPs). К настоящему времени большая часть исходного пространства параметров массы частиц и сечений взаимодействия, предусмотренных для WIMPs, исключена. Эксперимент LZ не обнаружил никаких доказательств существования частиц с массой, превышающей массу протона в девять раз, но он установил наилучшие из когда-либо существовавших пределов для WIMPs, в пять раз лучше предыдущих результатов».
Загрузка...