Передбачений новий ефект, важливий для інтерпретації експериментів з пошуку частинок темної матерії • Ігор Іванов • Новини науки на "Елементи" • Фізика

Передбачений новий ефект, важливий для інтерпретації експериментів з пошуку частинок темної матерії

Мал. 1. Гравітаційне тяжіння Сонця змінює концентрацію частинок темної матерії позаду Сонця. Така своєрідна гравітаційна фокусування частинок темної матерії може вплинути на сезонну модуляцію сигналу, що реєструється досить чутливим детектором темної матерії. Зображення з обговорюваної статті

У статті, що вийшла в журналі Physical Review Letters, Передбачається, що простий механічний ефект – гравітаційна фокусування Сонцем частинок темної матерії – може вплинути на інтерпретацію деяких експериментів по їх пошуку. Не виключено, що експерименти з позитивними результатами, до яких багато фізиків ставляться скептично, отримають новий аргумент на свою підтримку.

Пошук частинок темної матерії – одне з гострих питань сучасної фізики. З одного боку, численні астрофізичні спостереження вказують на те, що темна матерія існує. З іншого боку, незважаючи на десятки поставлених експериментів по її пошуку, ніякого достовірного сигналу, який служив би незаперечним доказом реєстрації таких часток, до сих пір немає. Короткий огляд поточної ситуації можна знайти в наших недавніх новинах Експеримент LUX поки не виявив частинки темної матерії і Фізика елементарних частинок в 2013 році.

Ситуація тут додатково ускладнюється тим, що деякі експерименти все ж показують наявність чогось схожого на темну матерію; особливо виділяється тут експеримент DAMA, в якому після десятиліття роботи ефект спостерігається вже на рівні статистичної значущості 9σ. Але ці та інші позитивні результати вступають в протиріччя з останніми даними нового покоління детекторів і тому занадто великої наснаги у фізиків, на жаль, не викликають. В наявності сигналу сумнівів немає, питання – в його інтерпретації. Самою колаборації позитивний сигнал здається свідченням на користь частинок темної матерії, а іншим вченим – зазначенням на невраховані джерела похибок.

Для прояснення картини – не тільки з DAMA, а й взагалі з нинішніми і можливими майбутніми позитивними сигналами, – астрофізикам бажано досконально розібратися з тим, які ефекти і наскільки гарантовано передбачаються саме для сигналу від темної матерії. Один з класичних ефектів – це сезонна модуляція кількості зареєстрованих подій. Підземний детектор частинок темної матерії – це пасивний наглядова інструмент.Умовно кажучи, він постійно обдувається "космічним вітром" темної матерії, а фізики просто підраховують, скільки разів спрацював детектор за певний період часу. Темп спрацьовування залежить багато від чого: від передбачуваних властивостей самих частинок, від їх розподілу і швидкостей в галактиці, від характеристик детектора. Ці величини сильно спираються на теоретичні моделі, тому ніякого однозначного прогнозу тут не може бути. Однак одна річ про них добре відома: вони не залежать від пори року.

Зате є інша величина, яка залежить, – це швидкість, з якою частинки темної матерії налітають на Землю. Сонце рухається в галактиці крізь хмару темної матерії, а Земля рухається навколо Сонця (рис. 2). Їх швидкості складаються як вектора, і тому результуюча швидкість, з якою сама Земля летить крізь хмару темної матерії, залежить від пори року. В рамках стандартної моделі гало для частинок темної матерії вважається, що темна матерія як ціле в галактиці не обертається, а значить, Сонце рухається відносно цієї хмари зі швидкістю близько 220 км / с. Земля ж рухається в площині екліптики навколо Сонця зі швидкістю приблизно 30 км / с.В результаті тому 2 червня ці дві швидкості складаються і дають максимальне значення, а в районі 2 грудня – мінімальне. Так у уявній швидкості частинок темної матерії з'являється сезонна модуляція в системі відліку Землі.

Мал. 2. Швидкість "вітру" частинок темної матерії, "дме" крізь Сонячну систему, складається зі швидкістю Землі, і через це їх відносна швидкість змінюється протягом року. Зображення зі статті K. Freese, M. Lisanti, Ch. Savage, 2013. Colloquium: Annual modulation of dark matter

Оскільки темп спрацьовувань детектора залежить і від цієї швидкості, слід очікувати, що він теж буде відчувати сезонні коливання. Точна величина цього коливання і навіть його знак – знову ж таки, питання тонкий. Ці величини залежать від деталей експерименту і від галактичного розподілу темної матерії; зазвичай виходить кілька відсотків. Але одне здавалося досі чітко визначеним: мінімум або максимум темпу реєстрації повинен бути в районі 2 червня.

Днями в журналі Physical Review Letters з'явилася стаття, яка пояснює, що такий однозначний висновок є невірним. У ній показується, що простий і давно відомий механічний ефект – гравітаційне фокусування темної матерії Сонцем – може сильно зрушити день, в який повинен спостерігатися максимум темпу реєстрації.

Цей ефект проілюстрований на рис. 1. Якби частинки темної матерії летіли крізь Сонячну систему строго по прямій, то їх концентрація була б однаковою незалежно від пори року. Тоді дійсно сезонна модуляція темпу реєстрації виникала б тільки за рахунок зміни швидкості, як описано вище. Але в реальності частинки темної матерії відчувають гравітаційне тяжіння Сонця і відхиляються ім. Вони відхиляються всередину, немов Сонце своєю гравітацією фокусує потік частинок темної матерії. Це призводить до підвищеної концентрації темної матерії позаду Сонця, тобто в березні, в порівнянні з концентрацією попереду Сонця, у вересні.

Треба підкреслити, що ця зміна концентрації зовсім невелике. Швидкості частинок темної матерії досить великі, тому при прольоті повз Сонця їх траєкторії відхиляються чуть-чуть, порядку градуси. Це призводить до модуляції концентрації в пару відсотків, але цей невеликий ефект треба порівнювати з таким же невеликим ефектом через модуляції швидкості.Виходить, для реалістичного опису сезонних коливань треба враховувати два ефекту порівнянної сили. Модуляція швидкості призводить до коливання "зима-літо", а модуляція концентрації – до коливання "весна-осінь". Спільна робота цих двох ефектів призводить до того, що сезонне коливання показників детектора залишається, але його максимум зрушить за часом. Саме на цей ефект чомусь досі не звертали увагу.

Автори статті наводять результати чисельних розрахунків для різних моделей. Залежно від характеристик детектора і маси частинок цей ефект може бути як незначним (дуже легкі частинки або занадто високий поріг спрацьовування детектора), так і сильним. Для помірно важких частинок темної матерії і для досить чутливого детектора виходить, що зрушення за часом може становити кілька тижнів (рис. 3).

Мал. 3. Очікуване положення максимуму сезонної модуляції для різних значень параметрів. ламані лінії – положення максимуму без урахування гравітаційного фокусування, криві – з урахуванням цього ефекту. Різні кольори відповідають часткам темної матерії різної маси. По горизонталі відкладено порогове значення енерговиділення, починаючи з якого спрацьовує детектор. Видно, що якщо детектор досить чутливий (поріг низький), то відміну ламаної і плавною кривих може бути дуже суттєвим. Графік з обговорюваної статті

Цікаво порівняти ці значення з результатами DAMA. Колаборація DAMA дійсно бачить таку сезонну модуляцію, і, що найцікавіше, максимум в їх даних доводиться на кінець травня (26 травня ± 7 днів). Навіть без гравітаційної фокусування це узгоджується з тим, що очікувалося б від частинок темної матерії (2 червня). Зараз же, з урахуванням нового ефекту, виходить, що результати DAMA ще більше нагадують очікувану модуляцію. Розрахунки показують, що чим слабкіше енерговиділення від зіткнення частинки темної матерії з речовиною, тим повільніше ця частка рухалася. А це значить, тим сильніше повинен бути ефект гравітаційної фокусування для таких частинок і тим більше повинно бути зміщення за часом.

У DAMA є і такий аналіз. Колаборація перевірила, що якщо взяти низькоенергетичні події (енерговиділення від 2 до 4 кеВ, менші енергії детектор вже не реєструє), то там максимум припадає на 12 травня ± 7 днів.Обчислення, наведені в статті, пророкують 19 травня – згода не таке вже й погане. Автори статті закликають експериментаторів окремо проаналізувати ще більш низькоенергетичні події, наприклад від 2 до 2,5 кеВ. Для таких значень вони пророкують зрушення максимуму вже на кінець квітня. Таке ж вправу пропонується виконати і учасникам всіх майбутніх експериментів, чутливих до енерговиділення близько 1 кеВ і менше.

Корисно ще раз підкреслити: сезонна модуляція – це один ефект, а зрушення максимуму цієї модуляції – інший. Багато фізиків налаштовані скептично до результату DAMA тому, що сезонна зміна саме по собі можна було б списати і на абсолютно звичайні, навіть на кліматичні, причини. Але важко уявити собі, які кліматичні чинники змогли б по-різному зрушити максимум для різних енергій. Якщо описаний в статті ефект дійсно буде виявлений, це стане новим – і, мабуть, досить несподіваним – аргументом на користь експериментів з позитивними результатами.

джерело: S K. Lee, M. Lisanti, A. H. G. Peter, and B. R. Safdi. Effect of Gravitational Focusing on Annual Modulation in Dark-Matter Direct-Detection Experiments // Phys. Rev. Lett. 112, 011 301 (2013); стаття доступна також як е-принт arXiv: 1308.1953.

Див. також:
1) В. А. Рябов, В. А. Царьов, А. М. Цховребов. Пошуки частинок темної матерії // УФН 178, 1129 (2008).
2) K. Freese, M. Lisanti, Ch. Savage. Colloquium: Annual modulation of dark matter // Rev. Mod. Phys. 85, 1561-1581 (2013); стаття доступна також як е-принт arXiv: 1209.3339.

Ігор Іванов


Like this post? Please share to your friends:
Залишити відповідь

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: