Эксперимент DAMA по-прежнему «видит» частицы темной материи

Схематический вид в разрезе детектора DAMA/LIBRA с его многослойной экранировкой (изображение из обсуждаемой статьи The DAMA/LIBRA apparatus)

Итальянский эксперимент DAMA/LIBRA объявил о детектировании частиц темной материи. В непосредственных экспериментальных данных специалисты не сомневаются, но с их интерпретацией согласны далеко не все.

Предыстория

Астрофизические данные показывают, что подавляющая часть вещества во Вселенной существует в виде темной материи. «Темной» она называется потому, что ее «не видно» ни в радиоволнах, ни в тепловом излучении, ни в оптическом, ультрафиолетовом, или рентгеновском диапазонах. Ее наличие заметно только через гравитационное воздействие на видимую материю — межзвездный газ, звезды, галактики.

Из чего именно состоит темная материя — пока не известно, но астрофизики склоняются к мысли, что главный ее компонент — это некие тяжелые частицы, очень слабо взаимодействующие с обычным веществом, — вимпы (от англ. WIMP — weakly interacting massive particles). Они образуют огромное облако вокруг каждой галактики, в том числе и вокруг нашего Млечного Пути. Солнечная система, двигаясь по своей галактической орбите сквозь газ вимпов, должна чувствовать встречный «вимповый ветер», а поскольку Земля вдобавок к этому еще движется вокруг Солнца, то мы, находясь на Земле, будем чувствовать то более сильный, то более слабый встречный поток вимпов, с периодом один год.

Вимпы должны очень слабо взаимодействовать с обычным веществом, поэтому большинство из них свободно проходят Землю насквозь. Однако изредка вимпы всё же сталкиваются с атомными ядрами глубоко в толще вещества, передают им часть своего импульса и иногда при этом выбивают электроны и вызывают вспышки света. Частота таких столкновений зависит от количества пролетающих сквозь Землю вимпов, поэтому при движении Земли сквозь галактическое гало она будет то увеличиваться, то уменьшаться.

Движение Солнца относительно галактического гало и движение Земли относительно Солнца приводят к тому, что 2 июня скорость движения Земли сквозь гало максимальна, а 2 декабря — минимальна (изображение из доклада авторов работы на конференции NO-VE 16 апреля 2008 года)

Именно за такими годичными колебаниями частоты вспышек в полностью заэкранированном детекторе глубоко под землей вот уже более 10 лет охотятся участники проекта DAMA. Проект состоит из нескольких параллельно идущих экспериментов, и в одном из них, DAMA/NaI, такие колебания действительно были обнаружены. Однако сообщение участников эксперимента о прямом детектировании вимпов, сделанное ими в 2000 году, научное сообщество приняло с большим скептицизмом — погрешности данных были большие, да и интерпретация многим казалась поспешной.

Эксперимент DAMA/NaI был модернизирован и запущен в 2003 году под новым именем DAMA/LIBRA. И вот на днях первые результаты этого эксперимента были обнародованы на конференции Neutrino Oscillations in Venice, а также появились в архиве электронных препринтов: First results from DAMA/LIBRA and the combined results with DAMA/NaI (сами результаты), The DAMA/LIBRA apparatus (описание детектора). Новые данные полностью подтверждают более ранние результаты, но скептицизма критиков они не убавили.

Эксперимент и его результаты

В 100 км от Рима глубоко в толще горы Гран-Сассо (Gran Sasso) расположена одноименная подземная лаборатория, принадлежащая итальянскому Национальному институту ядерной физики (INFN). Благодаря природной экранировке (от поверхности ее отделяют полтора километра горных пород!), поток космических лучей в ней в миллион раз меньше, чем на поверхности Земли. Именно поэтому она идеально подходит для проведения сверхчистых экспериментов в физике элементарных частиц и ядерной физике. DAMA/LIBRA — один из полутора десятков одновременно идущих в ней экспериментов.

В эксперименте DAMA/LIBRA в качестве рабочего вещества выбраны сцинтилляторы NaI(Tl), состоящие из йодида натрия (NaI) с добавлением таллия (Tl) в качестве активатора. Каждый сцинтиллятор — это кристаллический стержень массой около 10 кг, в котором вимп при столкновении с ядром вещества должен порождать вспышку света. Этот свет улавливают фотоумножители, установленные на торцах сцинтиллятора, и передают сигнал компьютеру.

«Ложные» срабатывания могут быть вызваны не только космическими лучами, но и радиоактивными изотопами, встречающимися в природе. Для максимальной изоляции детектора каждый сцинтилляционный кристалл упакован в медный кирпич, а блок с этими кирпичами опечатан многослойной изоляцией из радиочистых материалов. Внутренности этого ящика продувались радиочистым азотом, а фоновая концентрация наиболее трудноуловимых изотопов (например, инертного газа радона) постоянно контролировалась рядом с установкой. Наконец, температура установки была постоянной с точностью до тысячных долей градуса, а чувствительность детекторов регулярно контролировалась с помощью облучения известными радиоизотопами.

Эксперимент DAMA/LIBRA на протяжении уже четырех с лишним лет измеряет, по сути, только количество и энергию сцинтилляционных вспышек внутри детектора. В среднем происходит 1–2 вспышки в день на килограмм веса сцинтилляторов и на килоэлектронвольт энергии. Это значение остается постоянным во времени — за исключением области малых энергий, 2–6 кэВ, где как раз и наблюдаются слабые (буквально пара процентов) годичные колебания. Если из всех данных вычесть постоянный сигнал и оставить только переменную компоненту, то получится такой график.

Частота срабатывания детекторов с ходом времени в области энергий 2–6 кэВ. Показана только переменная часть сигнала, оставшаяся после вычета постоянного фона. По горизонтальной оси отмечен день с момента начала эксперимента DAMA/NaI; первая половина графика содержит результаты DAMA/NaI, а после перерыва показаны данные DAMA/LIBRA. Сплошной линией показана синусоидальная функция с периодом ровно 1 год и максимумами, приходящимися на 2 июня (изображение из обсуждаемой статьи First results from DAMA/LIBRA and the combined results with DAMA/NaI)

Хорошо заметно, насколько возросла точность данных после модернизации. Если после первого года-двух эксперимента DAMA/NaI еще оставались сомнения, не является ли этот сигнал случайным отклонением, то после 10 годичных циклов стало ясно, что переменная часть сигнала с высокой точностью следует синусоидальному закону с периодом ровно 1 год и максимумами, приходящимися на 2 июня. На сухом языке статистики значимость сигнала превышает 8 стандартных отклонений, то есть вероятность, что эти данные — лишь игра случая, ничтожно мала.

Итак, эксперимент видит четкую годичную модуляцию частоты срабатываний детектора, и с этим уже не спорят даже скептики. Но остается главный вопрос: какова причина этой модуляции?

Интерпретация результатов

Может показаться, что есть целое множество естественных причин для небольших сезонных колебаний какой угодно величины. Однако благодаря многоуровневой изоляции и постоянному контролю остаточной радиоактивности, авторы считают, что никакими «земными» процессами наблюдавшиеся в эксперименте колебания не объяснить. Именно отсюда следует их вывод — эти колебания есть результат сезонного ослабления и усиления «вимпового ветра».

Может ли какой-то неучтенный до сих пор источник привести к подобному сигналу? Авторы говорят, что такой источник им неизвестен — по крайней мере, за всё это время никто так и не предложил какой-то иной физический механизм, удовлетворяющий всем трем критериям отбора:

• сигнал должен меняться строго по синусоидальному закону с периодом ровно 1 год и с максимумами в районе 2 июня;
• сигнал должен наблюдаться только при низких энергиях;
• сигнал должен присутствовать только в однодетекторных событиях (то есть не должно быть событий, в которых одновременно срабатывают два или более кристаллов).

Все другие известные источники нарушили бы какие-то из этих условий. Скажем, даже если бы в лабораторию прорывался поток космических лучей, вызывающих срабатывание детекторов, то он порождал бы заметные изменения как при низких, так и при высоких энергиях.

Что же тогда не нравится скептикам? Дело в том, что подобные эксперименты ставились и в других лабораториях мира, но ни в одном из них годичных колебаний не зафиксировано. Правда, одни эксперименты основывались на иных методиках детектирования, в других использовался не йодид натрия, а иное чувствительное вещество, а третьи просто не дотягивали пока по своей чувствительности до DAMA/LIBRA. Тем не менее специалисты склоняются к мысли, что если бы вимповый ветер был таким сильным, как это следует из данных DAMA, то какой-нибудь из других экспериментов — например, очень чувствительный эксперимент CDMS, заявивший недавно об отрицательном результате, — тоже заметил бы частицы темной материи.

Что можно сделать в такой ситуации? Прежде всего, надо попытаться провести независимый эксперимент в другой лаборатории, но с тем же самым сцинтиллятором и в таких же условиях. Во-вторых, было бы очень полезно не только регистрировать сам факт столкновения вимпа с ядром, но и узнать направление, с которого прилетел вимп (см., например, недавние результаты японского детектора NEWAGE). Если окажется, что предпочтительное направление прилета частиц совпадает с направлением движения Солнца сквозь галактическое гало, это станет важным аргументом в пользу вимповой интерпретации сигнала — ведь никакие земные явления «не чувствуют» этого направления! В-третьих, если многократно улучшить чувствительность детекторов, то можно будет уже отлавливать и суточные колебания частоты вспышек (ведь Земля еще и вращается вокруг своей оси). Если и они будут происходить с нужной амплитудой и фазой, то это тоже может стать ключевым аргументом в пользу обнаружения вимпов.

Источники:
1) R. Bernabei et al. First results from DAMA/LIBRA and the combined results with DAMA/NaI // препринт arXiv:0804.2741 (17 April 2008).
2) R. Bernabei et al. The DAMA/LIBRA apparatus // препринт arXiv:0804.2738 (17 April 2008).
3) R. Bernabei. First results from DAMA/LIBRA (PowerPoint file, 13 Mb) — доклад на конференции «Neutrino Oscillations in Venice».

См. также:
1) Wimping out в блоге Cocktail party physics.
2) About the DAMA-LIBRA result в блоге A Quantum Diaries Survivor.

Игорь Иванов