В эксперименте CRESST-II, возможно, зарегистрированы частицы тёмной материи

риогенные детекторы CRESST-II, в которых гипотетические частицы тёмной материи должны взаимодействовать с ядрами мишени в процессе упругого рассеяния, за три года работы зафиксировали 67 событий, имеющих все признаки такого взаимодействия.

Эксперимент CRESST-II, ориентированный на поиск частиц тёмной материи, вимпов, дал положительные результаты.

Установка CRESST-II, сконструированная физиками из Германии, смонтирована в подземной итальянской Национальной лаборатории Гран-Сассо рядом с двумя другими детекторами (DAMA/LIBRA и XENON100) частиц тёмной материи. Разработанная германскими специалистами схема обнаружения построена на том, что вимпы должны взаимодействовать с ядрами мишени в процессе упругого рассеяния. Такие процессы редки, а малая энергия отдачи, передаваемая ядру при взаимодействии, измеряется лишь десятками килоэлектронвольт; всё это значительно осложняет задачу экспериментаторов.

Чтобы повысить чувствительность установки, германские учёные использовали детекторы с мишенью из сцинтиллирующего вещества, вольфрамата кальция CaWO4. Кристаллы CaWO4 имеют вид цилиндров диаметром и высотой в 40 мм и массой в 300 г и работают как криогенные калориметры при температуре в ~10 мК. Сечение рассеяния вимпов на ядрах растёт пропорционально квадрату массового числа, и основной вклад в полезный сигнал, кажется, должны давать тяжёлые ядра вольфрама, однако в реальности физикам приходится рассматривать все варианты взаимодействий (учитывать кальций и кислород). Дело в том, что тяжёлые ядра получают меньшую энергию отдачи, и гипотетические вимпы небольшой (менее ~12 ГэВ) массы можно обнаружить только при рассеянии на Ca или О.

Львиная доля энергии, оставляемой налетающей частицей тёмной материи в кристалле-мишени, преобразуется в фононы. Последние собираются так называемым болометром на сверхпроводящем переходе (БСП) — тонкой вольфрамовой плёнкой, температура которой стабилизируется на уровне, соответствующем переходу в сверхпроводящее состояние. В таком режиме незначительное повышение температуры, вызванное поглощением фононов, ведёт к заметному изменению сопротивления, а амплитуда этого колебания становится мерой энергии.

Поскольку в опыте отмечаются самые разные взаимодействия, и подавляющее их большинство не имеет никакого отношения к вимпам, интересующие учёных события необходимо как-то отбирать. Здесь на помощь приходят сцинтилляционные свойства CaWO4: небольшая часть энергии, оставляемой вимпом, преобразуется в сцинтилляционный свет, который также регистрируется БСП, соединённым со светопоглотителем. Отношение энергий, измеренных детектором излучения и детектором фононов, зависит от типа взаимодействия в кристалле и позволяет выделять сигналы от частиц тёмной материи на общем фоне.

Детектирующий модуль CRESST-II, общая схема которого показана ниже, охватывается светоотражающей полимерной фольгой, чтобы сцинтилляционный свет собирался максимально эффективно. Для защиты модулей от фонового излучения используются слои меди и свинца, поглощающие гамма-излучение, полиэтилен, замедляющий нейтроны, и панели пластикового сцинтиллятора, отмечающие факт прихода мюонов. Неплохую естественную защиту обеспечивает и мощный слой горных пород над Лабораторией Гран-Сассо.

Детектирующий модуль (иллюстрация авторов работы).
Детектирующий модуль (иллюстрация авторов работы).

Экспериментальные данные, которыми оперируют германские исследователи, были собраны восемью модулями CRESST-II в период с июля 2009-го по март 2011-го. За это время в интервале параметров, который считается подходящим для взаимодействий вимпов с ядрами, было зарегистрировано 67 событий. Вероятность того, что все они относятся к фоновым, оказалась довольно низкой: уровень статистической значимости, на котором отвергается гипотеза о чисто фоновом характере событий, превышает 4σ.

Упругое рассеяние частиц тёмной материи представляется очень хорошим кандидатом на роль процесса, который обеспечивает «дополнительные» сигналы. По словам физиков, информацию можно интерпретировать двумя разными способами, приняв массу и сечение взаимодействия вимпов равными 25,3 (или 11,6) ГэВ и 1,6•10–6 (3,7•10–5) пбн. Со статистической точки зрения эти оценки практически не отличаются друг от друга.

Важно отметить, что гипотеза о существовании относительно лёгких вимпов, на которое указывают данные CRESST-II, не согласуется с результатами экспериментов XENON100 и CDMS-II, не обнаруживших таких частиц. Эту проблему мы уже обсуждали в начале года.

Препринт статьи, подготовленной участниками проекта CRESST-II, можно загрузить с сайта arXiv.

Подготовлено по материалам NewScientist.

9 Сентября 2011, 2:27    Den    2804    0

Нет комментариев.

Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите или зарегистрируйтесь пожалуйста.