Сергей Парновский - Как работает Вселенная - Введение в современную космологию

Кроме детекторов, ориентированных на поиск любых вимпов, есть также установки, направленные на поиск конкретных вариантов темной материи. К таким установкам относятся, например, детекторы ADMX и APEX, спроектированные для поиска аксионов. Впрочем, пока что накопленная экспозиция этих установок слишком мала, чтобы делать какие-либо выводы.

Теперь, как мы и обещали, более подробно обсудим результаты экспериментов DAMA, CoGeNT и XENON 10, вызвавшие бурные дискуссии в научной литературе. Около 2010 г. наблюдалось общее чувство оптимизма, связанного с этими исследованиями; ожидалось, что открытие вимпов уже «ждет за углом». Основной причиной такого оптимизма была информация про положительные результаты опытов на детекторе DAMA/NaI и позже DAMA/LIBRA.

Все началось с того, что в уже далеком 2000 г. авторы эксперимента DAMA/NaI заявили, что им удалось обнаружить частицы темной материи с массой 8–12 ГэВ, сечением рассеяния порядка 10–40 см2, и впоследствии подтвердили эти параметры по результатам наблюдений на установке DAMA/LIBRA. Спустя 10 лет авторы эксперимента CoGeNT опубликовали результаты, в которых было выделено три события, с вероятностью около 30 % соответствующие вимпам с массой 5–15 ГэВ и сечением рассеяния порядка 10–40 см2. Тем не менее при общем всплеске энтузиазма эти конкретные результаты были встречены со значительным скепсисом. Во-первых, наиболее распространенная среди теоретиков оценка массы вимпов находится в районе 60–70 ГэВ. Во-вторых, ограничения на сечение рассеяния темной материи, полученные в экспериментах CDMS II, XENON 10 и XENON 100, по заверению ряда авторов, исключают существование вимпов с такими параметрами.

Естественно, практически сразу возникли попытки примирить результаты этих экспериментов. Некоторые впечатлительные теоретики поспешили придумать экзотический вид вимпов, который проявлял бы себя в установках DAMA и CoGeNT, но не проявлял в установке XENON. Для этого они рассмотрели все мыслимые комбинации как спин-зависимого, так и спин-независимого упругого и неупругого рассеяний, в том числе с нарушением изоспина [76] «Морские термины» здесь употреблены только для создания соответствующей атмосферы, хотя и по делу. Незнакомым с ними людям рекомендуем просто вслушаться в их певучее звучание. , и подобрали подходящий вариант. В более серьезных работах утверждается, что эти параметры вполне совместимы со всеми ограничениями, если принять во внимание некоторые тонкие моменты, связанные с интерпретацией результатов эксперимента XENON, описание которых выходит далеко за рамки этой книги. Наиболее же правдоподобными, с нашей точки зрения, выглядят объяснения экспериментаторов. В обзорах результатов поиска вимпов в детекторах на сжиженных благородных газах отмечается, что в силу конструктивных особенностей установка DAMA не способна различать ядерные и электронные отдачи и полученные сезонные вариации можно объяснить вариациями потока космических мюонов и фона быстрых нейтронов в Гран-Сассо (Manalaysay, 2011; Cline и Simpson, 2015). То же самое относится и к установке CoGeNT. Кроме того, пресловутые тонкие моменты в интерпретации результатов установки XENON можно обойти, если определять энергию отдачи не по первичным, а по вторичным сцинтилляциям. Это позволило значительно повысить точность ограничений на максимальное сечение рассеяния вимпов, которое оказалось существенно меньше заявленного в экспериментах DAMA и CoGeNT.

В тот период результаты некоторых других детекторов, отличных от DAMA, были не очень убедительными, но время шло, было накоплено больше данных, и стало ясно, что ни один из них не открыл ничего, что могло бы напоминать четкое обнаружение вимпов. В конце концов они всего лишь установили более строгие и жесткие ограничения на величину поперечного сечения вимпов, и с какого-то момента их результаты стали полностью несовместимы с данными DAMA/LIBRA.

Учитывая вышеперечисленные проблемы с экспериментом DAMA/LIBRA, для проверки его результатов готовится эксперимент DM-Ice, который полностью повторит схему эксперимента DAMA/LIBRA, но с одним отличием: установка будет размещена на Южном полюсе, на базе нейтринной обсерватории IceCube. Это позволит полностью исключить суточные вариации космических лучей.

Описанные выше методы получили название прямых методов обнаружения темной материи, хотя слово «прямые» в некоторых случаях следовало бы заключить в кавычки. Но кроме них есть также и непрямые методы обнаружения темной материи. К ним относятся преимущественно высотные и космические эксперименты по поиску частиц и античастиц с высокими энергиями, которые, по мнению теоретиков, должны образовываться при взаимодействии частиц, составляющих темную материю. Проблема состоит в том, что антиматерия образуется в галактическом диске без всякой темной материи, поэтому проблема интерпретации результатов таких наблюдений стоит особенно остро.