Публикувани са резултатите от седемгодишен експеримент, който тества дали частиците тъмна материя могат да съществуват като композити от по-малки, елементарни частици.

Въпреки че изследователите от колаборацията DarkSide не са открили директни доказателства за тази „ултратежка ядрена“ тъмна материя, констатациите биха могли да положат основите за бъдещи експерименти, помагайки на физиците да установят дали тъмната материя има вътрешна структура.

Изследването е публикувано в Physical Review D.

Ядрената тъмна материя

Към днешна дата две от най-разпространените теории, обясняващи природата на тъмната материя, са аксионите и слабо взаимодействащите масивни частици (WIMP), като нито една от които не взаимодейства с радиацията или обикновената материя, освен чрез гравитация. Въпреки че двете теории се различават значително, те споделят предположението, че тъмната материя съществува изцяло като елементарни частици, които не могат да бъдат разложени допълнително - за разлика от атомното ядро, което се разделя на съставни протони и неутрони.

И все пак, тъй като директното откриване на тези частици продължава да се изплъзва на физиците, изследователите обмислят алтернативна идея.

    „Преди около десетилетие моите сътрудници и аз проучихме възможността тъмната материя да има своя собствена ядрена физика“, разказва Джоселин Монро (Jocelyn Monroe) от Оксфордския университет. Според това описание „тъмните частици се свързват в ранната вселена, за да образуват много големи „тъмни ядра“, потенциално съдържащи милиарди или значително повече съставки."

Надграждайки върху тези първоначални теории, екипът на Монро обмисля как биха изглеждали съставните ултратежки частици тъмна материя в експериментални детектори, по начини, сравними с инструментите, създадени за откриване на аксиони и WIMP-ове. Обхватът на работата скоро се разраства и включва международна мрежа от физици, която се превръща в колаборацията DarkSide.

Отчитане на вътрешната структура

От 2013 до 2020 г. колаборацията управлява DarkSide-50, детектор, изграден около цилиндричен резервоар с течен аргон, разположен в Националната лаборатория Гран Сасо на INFN в Италия - най-голямото подземно изследователско съоръжение в света.

Подобно на други детектори на тъмна материя, DarkSide-50 е проектиран да улавя слаби светлинни проблясъци, за които се очаква да възникнат, когато частици тъмна материя се разпръснат от атомните ядра в течността, карайки ядрото да се отдръпне и да отдели енергия.

За елементарните аксиони или WIMP-овете това взаимодействие би довело до единичен откат.

    „Ключовата разлика е, че анализът взема предвид вътрешната им структура“, обяснява Монро. „Тъмната материя има краен размер и съответен форм-фактор, а един обект може потенциално да се разпръсне няколко пъти, докато преминава през детектора."

Изключване на възможности

В последното си проучване, колаборацията DarkSide представя изчерпателен анализ на данните, събрани по време на изстрелването на DarkSide-50. В познатия резултат, експериментът не е открил доказателства за взаимодействие на съставна тъмна материя с аргонови ядра.

Въпреки това, резултатите позволиха на екипа да изключи широк спектър от предложени свойства на ултратежката тъмна материя, изостряйки целта за бъдещи експерименти.

    „Интересна характеристика на резултата е, че чувствителността зависи от свойствата на съставките - „тъмните нуклони“ - показвайки, че вътрешната структура на тъмната материя може да има наблюдаеми последици“, добавя Монро.

Къде да не се търси

В по-широк план, Монро е уверена, че прозренията от DarkSide-50 биха могли да помогнат за изясняване от какво всъщност е съставена неуловимата субстанция, съставляваща 85% от масата на Вселената. Ако тъмната материя съществува в ултратежка, композитна форма, детектори, базирани на възможностите на DarkSide-50, биха могли евентуално да изследват вътрешната ѝ структура, подобно на това как конвенционалните експерименти с разсейване разкриват структурата на атомните ядра.

Как работят експериментите с разсейване

Изследователите изстрелват лъч от високоенергийни частици (като алфа частици, протони или електрони) към много тънка мишена, като златно фолио. Повечето частици преминават директно през фолиото с малко или никакво отклонение, но малка част от тях отскачат обратно или се разсейват под много широки ъгли. Големи отклонения се случват само когато изстреляната частица удари или премине близо до масивна, концентрирана точка с положителен заряд.

Екипът може да не се наложи да чака дълго. През 2027 г. колаборацията DarkSide планира да изстреля DarkSide-20k, детектор, използващ приблизително 1000 пъти повече течен аргон от своя предшественик.

    „Това ще отвори дългосрочната възможност за потенциално наблюдение на сигнатури на „тъмна химия“", прогнозира Монро. „По-скоро тази работа показва, че съществуващите експерименти могат да тестват кандидати за тъмна материя, които изглеждат много различно от конвенционалните WIMP."

Справка: P. Agnes et al, First nuclear ultraheavy dark matter search in argon time projection chambers with the DarkSide-50 experiment, Physical Review D (2026). DOI: 10.1103/r3zg-zlfg

Източник: DarkSide detector puts 'nuclear' dark matter to the test, Sam Jarman, Phys.org