Введение
Гипотетические частицы, составляющие темную материю. Слабо взаимодействующие массивные частицы (WIMPs) — это гипотетические частицы, являющиеся одним из предложенных кандидатов на роль темной материи. Формального определения WIMP не существует, но в широком смысле это элементарная частица, взаимодействующая посредством гравитации и любой другой силы (или сил), потенциально не входящая в Стандартную модель, сила которой сравнима или слабее слабой ядерной силы, но при этом не равна нулю. Предполагается, что многие кандидаты в WIMP были произведены термически в ранней Вселенной, подобно частицам Стандартной модели согласно космологии Большого взрыва, и обычно составляют холодную темную материю. Для получения наблюдаемого количества темной материи в настоящее время посредством теплового производства требуется сечение самоаннигиляции, что примерно соответствует ожидаемому для новой частицы с массой около 100 ГэВ, взаимодействующей посредством электрослабого взаимодействия. Экспериментальные усилия по обнаружению WIMP включают поиск продуктов аннигиляции WIMP, таких как гамма-лучи, нейтрино и космические лучи в близлежащих галактиках и скоплениях галактик; эксперименты прямого обнаружения, предназначенные для измерения столкновений WIMP с ядрами в лабораторных условиях, а также попытки непосредственного создания WIMP в коллайдерах, например, в Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе. Поскольку суперсимметричные расширения Стандартной модели физики частиц легко предсказывают новую частицу с такими свойствами, это очевидное совпадение известно как «чудо WIMP», и стабильный суперсимметричный партнер долгое время считался основным кандидатом в WIMP. Однако недавние отрицательные результаты экспериментов прямого обнаружения, а также отсутствие доказательств суперсимметрии в эксперименте Большого адронного коллайдера (LHC) вызвали сомнения в самой простой гипотезе о WIMP.
Weakly interacting massive particles (WIMPs) are hypothetical particles that are one of the proposed candidates for dark matter. There exists no formal definition of a WIMP, but broadly, it is an elementary particle which interacts via gravity and any other force (or forces), potentially not part of the Standard Model, which is as weak as or weaker than the weak nuclear force, but also non vanishing in strength. Many WIMP candidates are expected to have been produced thermally in the early Universe, similarly to the particles of the Standard Model according to Big Bang cosmology, and usually will constitute cold dark matter. Obtaining the correct abundance of dark matter today via thermal production requires a self annihilation cross section of , which is roughly what is expected for a new particle in the 100 GeV mass range that interacts via the electroweak force. Experimental efforts to detect WIMPs include the search for products of WIMP annihilation, including gamma rays, neutrinos and cosmic rays in nearby galaxies and galaxy clusters; direct detection experiments designed to measure the collision of WIMPs with nuclei in the laboratory, as well as attempts to directly produce WIMPs in colliders, such as the Large Hadron Collider at CERN. Because supersymmetric extensions of the Standard Model of particle physics readily predict a new particle with these properties, this apparent coincidence is known as the "WIMP miracle", and a stable supersymmetric partner has long been a prime WIMP candidate. However, recent null results from direct detection experiments along with the failure to produce evidence of supersymmetry in the Large Hadron Collider (LHC) experiment has cast doubt on the simplest WIMP hypothesis.
Как темная материя
Через десять лет после того, как проблема темной материи была сформулирована в 1970-х годах, WIMPs были предложены как потенциальное решение этой проблемы. Хотя существование WIMPs в природе до сих пор остается гипотетическим, оно могло бы разрешить ряд астрофизических и космологических проблем, связанных с темной материей. Сегодня среди астрономов существует общее мнение, что большая часть массы во Вселенной действительно является темной. Моделирование Вселенной, наполненной холодной темной материей, дает распределение галактик, примерно соответствующее наблюдаемому. В отличие от этого, горячая темная материя размыла бы крупномасштабную структуру галактик и поэтому не рассматривается как жизнеспособная космологическая модель. WIMPs соответствуют модели реликтовой частицы темной материи из ранней Вселенной, когда все частицы находились в состоянии теплового равновесия. При достаточно высоких температурах, таких как существовавшие в ранней Вселенной, частица темной материи и ее античастица одновременно образовывались бы и аннигилировали в более легкие частицы. По мере расширения и охлаждения Вселенной средняя тепловая энергия этих легких частиц уменьшалась и в конечном итоге стала недостаточной для образования пары частица темной материи – античастица. Однако аннигиляция пар частиц темной материи и античастиц продолжалась бы, и плотность частиц темной материи начала бы экспоненциально уменьшаться. Также проводятся исследования с использованием наземной гамма-обсерватории VERITAS. Хотя аннигиляция WIMPs в частицы Стандартной модели также предсказывает образование высокоэнергетических нейтрино, считается, что их частота взаимодействия слишком мала для надежного обнаружения сигнала темной материи в настоящее время. Будущие наблюдения с обсерватории IceCube в Антарктиде могут позволить различить нейтрино, образованные WIMPs, и стандартные астрофизические нейтрино; однако к 2014 году было зарегистрировано всего 37 космологических нейтрино, что делает такое различие невозможным. Другой тип косвенного сигнала от WIMPs может исходить от Солнца. WIMPs, находящиеся в гало, могут, проходя через Солнце, взаимодействовать с солнечными протонами, ядрами гелия и более тяжелыми элементами. Если WIMP теряет достаточно энергии в таком взаимодействии, чтобы оказаться ниже локальной скорости убегания, теоретически у него не хватит энергии, чтобы преодолеть гравитационное притяжение Солнца, и он останется гравитационно связанным. Затем эти нейтрино могут достигать Земли и быть обнаруженными в одном из многочисленных нейтринных телескопов, таких как детектор Super Kamiokande в Японии. Количество нейтринных событий, регистрируемых в день на этих детекторах, зависит от свойств WIMP, а также от массы бозона Хиггса. Ведутся аналогичные эксперименты по поиску нейтрино от аннигиляции WIMPs внутри Земли и в центре Галактики.
Прямая обнаружение
Прямое обнаружение подразумевает наблюдение эффектов столкновения ядра частицы WIMP при прохождении темной материи через детектор в земной лаборатории. Хотя большинство моделей WIMP предсказывают, что для успешной работы экспериментов по косвенному обнаружению необходимо захватить достаточное количество WIMP в крупных небесных телах, существует вероятность, что эти модели либо неверны, либо объясняют лишь часть явления темной материи. Таким образом, несмотря на множество экспериментов, направленных на получение косвенных доказательств существования холодной темной материи, для подтверждения теории WIMP необходимы и прямые измерения. Хотя ожидается, что большинство WIMP, взаимодействующих с Солнцем или Землей, пройдут без какого-либо эффекта, есть надежда, что большое количество частиц темной материи WIMP, пересекающих достаточно большой детектор, будет взаимодействовать достаточно часто, чтобы эти взаимодействия можно было зарегистрировать – по крайней мере, несколько событий в год. Общая стратегия современных попыток обнаружения WIMP заключается в создании высокочувствительных систем, которые можно масштабировать до больших объемов. Это основано на опыте, полученном в ходе открытия и (уже рутинного) обнаружения нейтрино.
Экспериментальные методы
Криогенные кристаллические детекторы – Техника, используемая криогенным детектором поиска темной материи (CDMS) на шахте Судан, основана на использовании нескольких очень холодных кристаллов германия и кремния. Кристаллы (каждый размером примерно с хоккейную шайбу) охлаждаются до температуры около 50 мК. Для обнаружения прохождения WIMP сквозь кристалл используется слой металла (алюминий и вольфрам) на его поверхности. Эта конструкция направлена на обнаружение вибраций в кристаллической решетке, возникающих при "отдаче" энергии атому от WIMP. Переходные крайние сенсоры на основе вольфрама (TES) поддерживаются при критической температуре, находясь в сверхпроводящем состоянии. Значительные вибрации кристаллов генерируют тепло в металле, которое обнаруживается по изменению сопротивления. CRESST, CoGeNT и EDELWEISS используют аналогичные установки. Сцинтилляторы благородных газов – Другой способ обнаружения атомов, "отброшенных" WIMP, заключается в использовании сцинтилляционного материала, генерирующего световые импульсы при движении атома, которые затем регистрируются, часто с помощью ФЭУ. Эксперименты, такие как DEAP на SNOLAB и DarkSide на LNGS, используют большую целевую массу жидкого аргона для чувствительного поиска WIMP. ZEPLIN и XENON использовали ксенон для исключения WIMP с большей чувствительностью, при этом самые строгие ограничения на сегодняшний день получены детектором XENON1T, использующим 3,5 тонны жидкого ксенона. Строительство еще более крупных многотонных детекторов жидкого ксенона одобрено коллаборациями XENON, LUX ZEPLIN и PandaX. Кристальные сцинтилляторы – Вместо жидкого благородного газа, принципиально более простым подходом является использование сцинтилляционного кристалла, например, NaI(Tl). Этот подход используется в эксперименте DAMA/LIBRA, который наблюдал годовую модуляцию сигнала, согласующуюся с обнаружением WIMP (см.). Несколько экспериментов пытаются воспроизвести эти результаты, включая ANAIS и DM Ice, которые используют кристаллы NaI совместно с детектором IceCube на Южном полюсе. KIMS решает ту же задачу, используя CsI(Tl) в качестве сцинтиллятора. Пузырьковые камеры – Эксперимент PICASSO (Project In Canada to Search for Supersymmetric Objects) – это эксперимент прямого поиска темной материи, расположенный в SNOLAB (Канада). Он использует пузырьковые детекторы с фреоном в качестве активной массы. PICASSO преимущественно чувствителен к спин-зависимым взаимодействиям WIMP с атомами фтора во фреоне. COUPP, аналогичный эксперимент с использованием трифторйодометана (CF3I), опубликовал ограничения на массу выше 20 ГэВ в 2011 году. В 2012 году эти два эксперимента объединились в коллаборацию PICO. Пузырьковый детектор – это радиационно-чувствительное устройство, использующее небольшие капли перегретой жидкости, взвешенные в гелевой матрице. Он основан на принципе пузырьковой камеры, но поскольку фазовый переход может происходить только в небольших каплях одновременно, детектор может оставаться активным в течение гораздо более длительного времени. При попадании в каплю достаточного количества энергии от ионизирующего излучения, перегретая капля превращается в газовый пузырь. Образование пузыря сопровождается акустической ударной волной, регистрируемой пьезоэлектрическими датчиками. Основное преимущество метода пузырькового детектора – его почти полная нечувствительность к фоновому излучению. Чувствительность детектора можно регулировать, изменяя температуру, обычно поддерживаемую в диапазоне от 15 °C до 55 °C. В Европе существует аналогичный эксперимент, использующий эту технику, под названием SIMPLE. PICASSO публикует результаты (ноябрь 2009 г.) для спин-зависимых взаимодействий WIMP на 19F, для масс 24 ГэВ получены новые строгие ограничения на спин-зависимое сечение рассеяния, равные 13,9 пб (90% CL). Полученные ограничения ограничивают недавние интерпретации эффекта годовой модуляции DAMA/LIBRA с точки зрения спин-зависимых взаимодействий. PICO – это расширение концепции, запланированное на 2015 год. Другие типы детекторов – Для обнаружения WIMP изучаются камеры временной проекции (TPC), заполненные газами низкого давления. Коллаборация Directional Recoil Identification From Tracks (DRIFT) пытается использовать предсказанную направленность сигнала WIMP. DRIFT использует дисульфид углерода, позволяющий WIMP отскакивать на несколько миллиметров, оставляя след заряженных частиц. Этот след заряженных частиц дрейфует к плоскости считывания MWPC, что позволяет реконструировать его в трех измерениях и определить направление происхождения. DMTPC – аналогичный эксперимент с газом CF4. DAMIC (DArk Matter In CCDs) и SENSEI (Sub Electron Noise Skipper CCD Experimental Instrument) используют научные ПЗС (CCDs) для обнаружения легкой темной материи. ПЗС выступают как в качестве детектора и мишени, так и в качестве измерительной аппаратуры. Взаимодействия WIMP с объемом ПЗС могут вызывать образование электронно-дырочных пар, которые затем собираются и считываются ПЗС. Для уменьшения шума и достижения регистрации отдельных электронов эксперименты используют тип ПЗС, известный как Skipper CCD, который позволяет усреднять повторные измерения одного и того же собранного заряда.
Недавние лимиты
В настоящее время не зафиксировано подтвержденных обнаружений темной материи в экспериментах с прямым обнаружением, при этом самые строгие ограничения накладываются экспериментами LUX и SuperCDMS, как показано на рисунке 2. Благодаря 370 килограммам ксенона, LUX обладает большей чувствительностью, чем XENON или CDMS. Первые результаты, полученные в октябре 2013 года, сообщили об отсутствии сигналов, что, по-видимому, опровергает результаты, полученные с помощью менее чувствительных приборов. Это было подтверждено после завершения финального сбора данных в мае 2016 года. Исторически было зафиксировано четыре аномальных набора данных из различных экспериментов прямого обнаружения, два из которых теперь объяснены фоновыми явлениями (CoGeNT и CRESST II), а два остаются необъяснимыми (DAMA/LIBRA и CDMS Si). В феврале 2010 года исследователи из CDMS объявили о наблюдении двух событий, которые могли быть вызваны столкновениями ядер с WIMP. CoGeNT, детектор меньшего размера, использующий один германиевый кристалл, предназначенный для регистрации WIMP с меньшей массой, сообщил о сотнях событий обнаружения за 56 дней. Они наблюдали годовую модуляцию интенсивности событий, что может указывать на существование легкой темной материи. Однако более поздние анализы опровергли темное материйное происхождение событий CoGeNT, отдав предпочтение объяснению в терминах фоновых событий на поверхности. Годовая модуляция является одной из предсказываемых сигнатур сигнала WIMP, и на этой основе коллаборация DAMA заявила о положительном обнаружении. Другие группы, однако, не подтвердили этот результат. Данные CDMS, опубликованные в мае 2004 года, исключают всю область сигнала DAMA при определенных стандартных предположениях о свойствах WIMP и гало темной материи, и этому примеру последовали многие другие эксперименты (см. Рисунок 2). Коллаборация COSINE 100 (объединение групп KIMS и DM Ice) опубликовала свои результаты по воспроизведению сигнала DAMA/LIBRA в декабре 2018 года в журнале Nature; их вывод заключался в том, что "этот результат исключает взаимодействия WIMP-нуклонов как причину годовой модуляции, наблюдаемой коллаборацией DAMA". В 2021 году новые результаты, полученные коллаборациями COSINE 100 и ANAIS 112, не позволили воспроизвести сигнал DAMA/LIBRA, а в августе 2022 года COSINE 100 применил метод анализа, аналогичный используемому DAMA/LIBRA, и обнаружил аналогичную годовую модуляцию, что позволяет предположить, что сигнал может быть просто статистической случайностью, подтверждающей гипотезу, впервые выдвинутую в 2020 году.
Будущее прямого обнаружения
В 2020-х годах ожидается запуск нескольких экспериментов по прямому обнаружению частиц WIMP массой в несколько тонн, которые позволят исследовать сечения взаимодействия WIMP с ядрами на порядки величины меньше, чем текущая чувствительность. Примерами таких экспериментов нового поколения являются LUX ZEPLIN (LZ) и XENONnT – многотонные эксперименты с жидким ксеноном, за которыми последует DARWIN, еще один предлагаемый эксперимент по прямому обнаружению с использованием жидкого ксенона массой 50–100 тонн. Такие многотонные эксперименты также столкнутся с новым фоновым сигналом от нейтрино, что ограничит их способность исследовать пространство параметров WIMP за определенной границей, известной как «нейтринный пол». Однако, несмотря на название, подразумевающее жесткое ограничение, «нейтринный пол» представляет собой область в пространстве параметров, где экспериментальная чувствительность может улучшаться максимум пропорционально квадратному корню от экспозиции (произведения массы детектора и времени работы). Для WIMP с массой менее 10 ГэВ основным источником нейтринного фона является Солнце, а для частиц с большей массой вклад вносят атмосферные нейтрино и диффузный нейтринный фон от сверхновых. В декабре 2021 года результаты, полученные коллаборацией PandaX, не выявили сигнала в данных, при этом наименьшее исключенное сечение взаимодействия составляет при 40 ГэВ с уровнем доверия 90%. В июле 2023 года эксперименты XENONnT и LZ опубликовали первые результаты поиска WIMP, первый из которых исключает сечения взаимодействия выше 28 ГэВ с уровнем доверия 90%, а второй – выше 36 ГэВ с уровнем доверия 90%.