[Перевод] Экспериментальные намёки на существование тёмной материи
Краткий обзор намёков на существование тёмной материи — сигналов (два из которых были обнаружены в небе, а четыре — под землёй), которые могут означать, что это частицы тёмной материи занимаются чем-то интересным. Парочка сигналов может оказаться правдой, но не все шесть, поскольку часть из них противоречит друг другу. Это не должно вас волновать: подобная ситуация совершенно нормальна для передовой науки; исследования — дело сложное, и большая часть намёков на нечто потрясающее оказывается миражами — статистическими случайностями, неизвестными доселе странностями, проблемами измерений или просто банальными ошибками. В случае, например, с частицей Хиггса, у нас было несколько ложных тревог до тех пор, пока, наконец, сигнал тревоги не оказался правдой. Так что нам нужно быть терпеливыми и осторожными, и не терять надежды; открытия случаются редко, но случаются.
Тёмная материя над головой
Информация, полученная со спутника Ферми, намекает на то, что из центра Галактики исходит поток фотонов определённых энергий (порядка 135 ГэВ, то есть с энергией массы примерно в 143 раза больше, чем у протона). Это потенциально может стать признаком наличия частиц тёмной материи (этих медленно движущихся по кругу частиц должно быть особенно много в центре Галактики), которые сталкиваются друг с другом, аннигилируют и превращаются в фотоны.
Если кратко, то происходит это примерно так: закон сохранения энергии гарантирует, что энергия двух аннигилирующих частиц тёмной материи (по большей части представленная в виде энергии массы, поскольку частицы тёмной материи двигаются по Галактике очень медленно) преобразуется в энергию движения двух фотонов — поэтому энергия каждого фотона равна массе частицы тёмной материи, помноженной на c2.
Нужно ли волноваться по поводу того, что этот сигнал может оказаться не тем, чем кажется? Небольшая проблема состоит в том, что стандартный вимп (массивная частица, взаимодействующая с материей посредством слабого ядерного взаимодействия) не может выдавать такой сигнал, не выдавая другие сигналы, которые мы тоже должны были бы увидеть (к примеру, огромное количество протонов более низкой энергии). Но популярность вимпов слегка преувеличена, а другие типы частиц тёмной материи, которые теоретики представляли себе много лет, вполне способны сделать всё необходимое.
Более серьёзные опасения состоят в том, что сигнал не просто исходит из центра Галактики, он ещё исходит и с края диска Земли, и, возможно, Солнца. Такого поведения от аннигиляции тёмной материи ожидать не приходится. И то, что этот сигнал появляется в таких странных местах, где его не ждали, может означать, что всё это — лишь неочевидная проблема с детектором фотонов у Ферми. Пока этого точно никто не знает.
Другой пример. В эксперименте с магнитным альфа-спектрометром (англ. Alpha Magnetic Spectrometer, AMS), работающим на МКС, недавно было объявлено о большом «открытии» (хотя в большинстве пресс-релизов забыли упомянуть, что они просто подтвердили то, что эксперимент PAMELA уже открыл в 2008-м). PAMELA открыл, а AMS подтвердил, и изучил гораздо подробнее, что в открытом космосе существует огромный излишек позитронов высокой энергии, по сравнению с тем, что следовало бы ожидать (позитроны — античастицы электронов). У «лишних» позитронов энергии разнятся от 10 ГэВ до, по меньшей мере, 350 ГэВ —, а дальше данные AMS уже не идут.
Возможно, что эти позитроны появились из-за аннигиляции частиц тёмной материи. Но если так, это не могут быть частицы ТМ того же типа, что видит эксперимент Ферми в центре Галактики. Любые частицы ТМ, отвечающие за сигнал с AMS, обладали бы массой более, чем 350 ГэВ/с2, чтобы выдавать позитроны энергии 350 ГэВ, при том, что если фотоны, которые видит Ферми, производят именно частицы ТМ, то такие частицы никогда не произвели бы позитрон с энергией выше 135 ГэВ. Это следует только из сохранения энергии; если масса каждой из двух аннигилирующих частиц ТМ равна 135 ГэВ/с2, и они движутся достаточно медленно, из-за чего энергия их движения достаточно мала, получающиеся в аннигиляции электроны и позитроны не могут обладать энергией больше 135 ГэВ. Так что Ферми и AMS не могут оба видеть эффекты присутствия ТМ — по меньшей мере, один из них видит что-то другое.
Как говорили ещё в 2008-м году (и экспериментаторы с AMS имеют осторожность признавать), те позитроны, что тогда видел PAMELA, и то, что AMS видит сейчас, могут порождаться астрофизическими эффектами, к примеру, находящимся неподалёку пульсаром (быстро вращающейся звездой с мощным магнитным полем, которое может служить природным ускорителем частиц и стать источником дополнительных пар электрон-позитрон). И как всем известно с 2008 года (и что экспериментаторы с AMS имели неосторожность не признать), простейшие нейтралино, предсказываемые теориями с суперсимметрией (или любые другие вимпы) не могут выдавать таких мощных сигналов, если только не существует неизвестной до сей поры силы, способной увеличивать скорость аннигиляции. И даже тогда таких позитронов без других сигналов мы бы не увидели — если только не предположить, что эта ТМ относится к очень незаурядной разновидности. Незаурядные теории по-своему клёвые, но частицы ТМ в таких материях — не простые вимпы с суперсимметриями, которые упоминались в статьях про AMS.
Тёмная материя под ногами
Продолжим. Помнит ли кто-нибудь проект DAMA (теперь DAMA/LIBRA)? Они заявляют о наличии доказательств существования тёмной материи уже более десяти лет! И у них действительно есть какой-то сигнал! Может, от тёмной материи, а может и нет.
Видите ли, один из хитроумных способов найти ТМ заключается в том, чтобы дать ей найти вас. Просто разместите кусочек или целую бочку тщательно выбранного и очищенного вещества в шахте глубоко под землёй. (Спуск под землю сильно уменьшает эффекты воздействия космических лучей — высокоэнергетических частиц из дальнего космоса). Поскольку ТМ должна проходить прямо насквозь обычную материю, и редко оставлять следы, поток частиц ТМ будет течь прямо через камень, в шахту и через бочку материала. И если вы будете очень-очень терпеливы, одна из этих частиц ТМ может столкнуться с атомным ядром внутри вашего материала, и этот пинок может стать достаточно громким для того, чтобы вы смогли его обнаружить, если вы разработали достаточно хитроумный эксперимент. Именно этим и занимаются DAMA, XENON, CoGeNT, CRESST, CDMS, и куча других экспериментов — и занимаются уже довольно давно.
Но осуществить это тяжелее, чем сказать. Радиоактивность — процесс, в котором атомное ядро меняет свой тип, выплёвывая одну-две высокоэнергетических частицы — может имитировать эффекты частицы ТМ. (Процесс, имитирующий ваш «сигнал» — то, что вы пытаетесь обнаружить — называется «фоном»). Фон в деле обнаружения частиц ТМ часто сильнее самого сигнала, и экспериментаторам необходимо разобраться во всех возможных фонах очень-очень хорошо, если они хотят обнаружить что-то столь малое.
Но вот, возвращаясь к DAMA, что можно сделать из серии чертовски хитроумного. В течение года Земля движется вокруг Солнца, и её скорость относительно средней скорости частиц ТМ меняется. Это похоже на то, как если вы прокатитесь на велосипеде по кольцевому треку в ветреный день, иногда ветер будет дуть вам в лицо, а иногда — подгонять в спину. Так же, как сила ветра меняется, когда вы кружите по треку, так и скорость «ветра» из ТМ меняется в течение года. И если вероятность того, что частицы ТМ провзаимодействуют с ядром, зависит от относительной скорости их двоих (что выполняется во многих вариантах того, что собой представляет ТМ), тогда количество столкновений с ТМ, измеренное в эксперименте, должно повышаться и понижаться с циклом в год.
Так что вместо того, чтобы просто искать признаки нескольких столкновений, которые могут быть просто результатом радиоактивности, который вы не так поняли, возможно, нужно искать вариации количества столкновений в течение года! Если убедить себя, что радиоактивность и другие фоны сами по себе не могут иметь годовой цикл, тогда любые колебания такого типа — это явное свидетельство ТМ. Точно так же, как велосипедист на сильном ветру ощущает очень сильный ветер, когда едет ему навстречу, и более слабый, когда едет в другом направлении, так и Земля на орбите вокруг Солнца движется с большей или меньшей скоростью относительно находящихся неподалёку частиц ТМ в течение года. Это может привести к фиксации количества столкновений с ТМ, циклически меняющимся в течение года.
К несчастью, хоть это и звучит красиво, фоновые явления на самом деле могут циклически меняться в течение года, возможно, из-за того, что небольшие температурные изменения могут приводить к циркуляции более или менее радиоактивных газов в шахте, или что-то типа того. Так что, хотя данные с DAMA/LIBRA однозначно демонстрируют колебания количества столкновений частиц-кандидатов на ТМ, всё ещё не вполне ясно, действительно ли это ТМ. Пока что никто не смог подтвердить их сигналы, но никто не смог и доказать, что это ложная тревога.
DAMA/LIBRA такой не один. Недавно эксперимент CoGeNT сообщил об обнаружении избытка возможных столкновений, количество которых, как и у DAMA/LIBRA, колеблется в течение года.
И это не всё. Эксперимент CRESST тоже сообщил о фиксации кучи кандидатов на частицы ТМ, ударяющие атомные ядра в их детекторах. Существуют несколько вероятных эффектов, способных дать кандидатов такого типа — но, по их словам, если сложить все эти эффекты, то получится порядка 42 кандидатов, а они увидели уже 67, что больше на 4 среднеквадратичных отклонения — это довольно сильное свидетельство того, что чего-то не хватает.
Наконец, ещё один намёк: эксперимент CDMS сообщил о фиксации трёх кандидатов на столкновения ТМ в их кусочках кремния. У них есть детекторы на основе кремния и на основе германия. Новый результат получен на основе данных из кремниевых детекторов. Поскольку ядро кремния гораздо легче ядра германия, кремний лучше него реагирует на столкновения с легковесными частицами ТМ. И это очень интересно!
Но, как они сами аккуратно заявляют, вряд ли можно назвать результат определяющим. Почти наверняка это не результат фоновых эффектов. На первый взгляд это неочевидно; известные им фоны должны выдавать в среднем только половину столкновений, а возможность получения этих трёх событий равна порядка 5% — не совсем невероятно, если учесть, сколько маловероятных вещей может случиться в эксперименте. Но когда они учитывают энергии этих кандидатов на столкновения, вероятность падает до 0,2%. И тут уже дело становится серьёзным. Но помните: всё это значит, что либо (а) они открыли ТМ, либо (б) они открыли неизвестную до сих пор фоновую активность, дающую ложный сигнал.
Если собрать все эти четыре эксперимента воедино, новости получаются и хорошими, и плохими. Хорошие новости в том, что все четыре этих эксперимента — DAMA/LIBRA, CRESST, CoGeNT и CDMS — соответствуют частицам ТМ, находящимся где-то в пределах 10 ГэВ/с2.
Умеренно плохие новости в том, что четыре измерения не соответствуют друг другу; из вероятности взаимодействия частиц ТМ определённой массы, следующие из экспериментов, не совпадают, и разнятся вплоть до десяти раз. Это показано на рисунке ниже (взятом из работы по CDMS), где показано, что четыре различные полосы, связанные с наблюдениями четырёх экспериментов, обычно не перекрывают друг друга. Это значит, что по меньшей мере два из этих экспериментов должны быть ложными тревогами.
Рисунок показывает допустимые и недопустимые участки (с 90% точностью) как функции от массы частицы ТМ (горизонтальная ось) и количество взаимодействий с обычной материей (вертикальная ось). DAMA/LIBRA, CRESST и CoGeNT показаны жёлтым, коричневым и розовым соответственно. Новые результаты CDMS даны голубым и синим; чёрная звёздочка — наилучшее приближение. Заметьте, что не точек, где пересекались бы сразу три или четыре участка. При этом результаты анализа в экспериментах XENON10 и XENON100 исключает все участки, лежащие выше светло-зелёной и тёмно-зелёной линий, куда входят все четыре других эксперимента.
Очень плохие новости следуют из результатов другого эксперимента, который должен (вроде бы) быть более чувствительным к частицам ТМ такого типа, чем любые другие из указанных экспериментов. Я имею в виду XENON100. Для большей части сигналов в XENON100 должны были произойти множество событий-кандидатов, десятки или даже больше. Но пока там увидели только два. И получается, что все эти сигналы исключены экспериментом XENON100, а также специальным анализом его предшественника, XENON10. Можно поспорить на тему того, что результаты CoGeNT и CDMS опровергнуты едва-едва, и поэтому возможно их ещё стоит воспринимать серьёзно.
Но отрезвляющий факт состоит в том, что во всех этих подземных экспериментах небольшой не зафиксированный фон должен проявляться в виде нескольких дополнительных низкоэнергетических кандидатов на столкновения, которые будут очень сильно напоминать то, что можно ожидать от частиц ТМ малой массы.
Как сказал профессор Хуан Коллар, руководитель эксперимента CoGeNT из Чикагского университета, на конференции в научном центре CUNY в Нью-Йорке несколько лет назад, сага о поисках ТМ, скорее всего, будет долгой историей открытий одного неожиданного фона за другим — и эта история может продолжаться довольно долго, до тех пор, пока ТМ реально найдут, если её вообще найдут, в одном из этих экспериментов. И это отражено во множестве ложных тревог, виденных нами за последнее время. Что интересно, Коллар перестал делать такие заявления после того, как на CoGeNT начали получать сигнал, который можно интерпретировать, как ТМ. Но помни, что ты говорил, Хуан. Мы помним.
Тем временем именно ради таких загадок и живут физики-теоретики. Головоломка! Вызов! Изобретите такую теорию ТМ, чтобы эксперименты CDMS и CoGeNT смогли легко обнаружить её действие, а XENON100 не смог! Эксперименты работают по-разному — CDMS и CoGeNT состоят из кусков кремния и германия соответственно, а XENON100 использует — сюрприз! — бочку ксенона. По этой теме уже есть множество работ. Скорее всего выяснится, что XENON100 прав, а CDMS и CoGeNT наблюдают некий фон. Но, возможно, всё будет с точностью до наоборот.
Подытожим: у нас есть по меньшей мере шесть намёков на существование ТМ, по большей части не соответствующих друг другу. Новый намёк CDMS грубо соответствует CoGeNT;, но если они оба видят ТМ, почему XENON100 не наблюдает сильный сигнал? Все эти эксперименты трудятся для того, чтобы улучшать свои методы и измерения, так что если какие-то из этих намёков действительно окажутся признаками наличия ТМ, мы вскоре увидим больше примеров впечатляющих доказательств.
