Ученые Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) и Новосибирского государственного университета (НГУ), участвующие в международной коллаборации по поиску темной материи DarkSide, обнаружили новое явление в физике регистрации ионизирующего излучения, при котором появляются необычные медленные компоненты в регистрируемом сигнале. Данные были получены на оборудовании, изготовленном в ИЯФ СО РАН специально для этого эксперимента.
Специфические исследования космоса показывают, что примерно 25 % от общей массы Вселенной занимает темная материя — форма материи, которая недоступна прямому наблюдению и проявляется только в гравитационном взаимодействии. Обычная материя, состоящая из барионов, занимает только около 5 %. Всё остальное — темная энергия, некая теоретическая величина-константа, которая описывает непрерывное расширение Вселенной. Существование темной материи — одна из главных загадок современной физики, поскольку она недоступна прямому наблюдению. По всему миру проводятся эксперименты, нацеленные на поиск частиц темной материи с помощью наземных детекторов. Один из крупнейших в этой области проводит международная коллаборация DarkSide в Национальной лаборатории Гран-Сассо (Италия), где более 10 лет ведется набор данных с помощью детектора DarkSide-50. С 2015 года в эксперименте участвует объединенная группа из ИЯФ СО РАН и НГУ, которая ведет исследования на своем детекторе. С его помощью удалось обнаружить необычное явление, которое предполагается включить в теоретическую модель эксперимента DarkSide.
«Наличие скрытой массы во Вселенной теоретически доказано, но что она на самом деле собой представляет, какова ее природа, — неизвестно. Есть ряд экспериментов по прямому поиску темной материи. Они проводятся на большой глубине под землей, чтобы свести к минимуму воздействие космических лучей, с помощью специальных детекторов на основе благородных газов — аргона и ксенона. Это криогенные двухфазные детекторы, где жидкость служит мишенью для частиц темной материи. При взаимодействии с мишенью эти частицы вызывают физические процессы, приводящие к свету и ионизации. Ионизация регистрируется в виде электролюминесцентного сигнала в двухфазных детекторах. Именно он нас заинтересовал, потому что он может использоваться для регистрации частиц темной материи малой массы. Мы имеем возможность изучать подобные сигналы у себя в институте, на прототипе двухфазного детектора на основе жидкого аргона», — прокомментировал старший лаборант и аспирант ИЯФ СО РАН Егор Фролов.
В ходе исследований группа новосибирских ученых столкнулась с новым явлением в физике регистрации излучения. Речь идет о появлении необычных медленных компонент в сигнале детектора. Их необычность в том, что неизвестно откуда они появляются, и в том, что они возрастают с увеличением электрического поля. Эти компоненты новосибирские физики обнаружили на своем детекторе первыми.
«Что это за эффект, никто не знает, — отметил главный научный сотрудник ИЯФ СО РАН доктор физико-математических наук Алексей Бузулуцков. — В экспериментах DarkSide при низких энергиях также наблюдаются странные, пока необъяснимые эффекты. Такие эффекты есть не только в аргоновых, но и в ксеноновых детекторах и зависят от электрического поля. Возможно, это результат задержек электронов ионизации на метастабильных состояниях атомов при регистрации частиц. DarkSide-50 работает при низком поле, и там такого явления не наблюдается. А наш детектор работает и при низких, и при высоких электрических полях. Последнее измерение показало, что порог появления наших медленных компонент выше рабочих полей эксперимента DarkSide. Но если они поднимут поле, то этот эффект повлиял бы на результаты измерений».
В данный момент ученые находятся на этапе построения теоретической модели. Основная их цель — выяснить природу необычных медленных компонент и описать ее. Для построения теоретической модели необходимо провести еще несколько экспериментов. Полное описание данных, полученные на детекторе, физики планируют представить в течение года. Промежуточные результаты были озвучены Егором Фроловым на двух международных коференциях — INSTR20 и TIPP2021 — и на конкурсе молодых ученых ИЯФ СО РАН (секция физики элементарных частиц).
Прототип двухфазного детектора изготовлен специально для проекта DarkSide. Объем камеры составляет 10 литров (для сравнения: стандартный детектор по поиску темной материи рассчитан на 100 литров), в нем можно использовать до 4 кг жидкого аргона. Основной плюс детектора в том, что благодаря сравнительно малым габаритам можно быстро менять его конфигурацию: разбирать, собирать, что-то менять. Например, убрать или добавить переизлучатель (сместитель спектра), поменять электроды, катоды и так далее. Это позволяет новосибирским ученым оперативно подстраиваться под задачи эксперимента и проводить исследования на мировом уровне.
«Сегодня в мире насчитывается больше десятка экспериментов по прямой регистрации частиц темной материи, — сказал Алексей Бузулуцков. — Будущее в этом направлении науки за двухфазными детекторами, в частности, аргоновыми. Сейчас в Италии строится фабрика по производству обедненного аргона, очищенного от радиоактивных примесей, и реализуется проект DarkSide-20k. Это детектор, в котором используется 20 тонн жидкого аргона в активной области. К концу текущего десятилетия планируется увеличить этот объем до 400 тонн. Скорее всего, все детекторы по поиску темной материи объединятся в одну глобальную коллаборацию. Мы, как ее часть, продолжим развивать свой сегмент».
Установка DarkSide-50 расположена в подземной лаборатории Гран-Сассо итальянского Национального института ядерной физики (INFN). Над экспериментом работают исследовательские институты из Бразилии, Испании, Италии, Китая, Польши, США, Франции и России. Помимо ИЯФ и НГУ от российской стороны в коллаборацию входят Объединенный институт ядерных исследований, Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова, Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт», Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», Институт теоретической и экспериментальной физики им. А. И. Алиханова, Петербургский ядерный физический институт им. Б. П. Константинова, Белгородский государственный национальный исследовательский университет.