Тёмная материя подаёт два новых сигнала — но открытия пока нет

Два независимых эксперимента подошли к загадке тёмной материи с противоположных сторон. SuperCDMS SNOLAB начал первые научные измерения в подземном криогенном детекторе, рассчитанном на регистрацию почти незаметных взаимодействий частиц. Одновременно новый анализ 15,5 года открытых данных космического телескопа Fermi Large Area Telescope сообщил о возможном узком гамма-сигнале около 43,2 ГэВ в нескольких близких скоплениях галактик.

Но громких заголовков о «найденной тёмной материи» пока быть не должно. SuperCDMS находится на раннем этапе работы, а гамма-линия остаётся лишь интригующей подсказкой, которую ещё предстоит проверить.

1. SuperCDMS SNOLAB начал первые научные измерения

Зачем детектору глубина и экстремальный холод

SuperCDMS SNOLAB расположен примерно в 2 км под землёй, в глубокой лаборатории SNOLAB на территории шахты Vale Creighton недалеко от канадского города Садбери. Толща породы ослабляет поток космических лучей и других видов радиации, которые могли бы имитировать взаимодействие тёмной материи. 81113

Детекторы также охлаждены до чрезвычайно низкой температуры. Кристаллы кремния и германия работают примерно при 15 милликельвина — это всего несколько тысячных градуса выше абсолютного нуля. В таких условиях удаётся подавить тепловой шум и искать крошечные энергетические импульсы, которые могла бы оставить частица лёгкой тёмной материи, столкнувшись с кристаллом. 1215

Что именно ищет SuperCDMS

Установка включает 24 детектора из двух материалов — германия и кремния. Они собраны в башни и используют взаимодополняющие технологии для измерения тепловых и электрических сигналов. Это позволяет одновременно снизить энергетический порог и лучше отделять потенциальные события от фоновых. 101114

Такая конструкция особенно важна для поиска сравнительно лёгких кандидатов в тёмную материю. Многие крупные эксперименты оптимизированы для других диапазонов энергий, тогда как SuperCDMS рассчитан в том числе на частицы, которые труднее обнаружить в более тяжёлых детекторах. 69

Что означает ранний этап работы

Первые измерения начались после примерно шести месяцев ввода установки в эксплуатацию. Это ещё не финальный сеанс с максимальной чувствительностью: сейчас исследователи проверяют работу детекторов, изучают фоновые события и уточняют методику анализа. Полномасштабный поиск планируется начать в 2027 году. 12

Разница имеет значение. Уже первые данные могут дать полезные ограничения для теорий или показать необычное событие-кандидат, однако наиболее сильные возможности эксперимента раскроются после полной характеристики системы и выхода на проектную чувствительность.

2. В данных Fermi появилась предварительная гамма-линия на 43,2 ГэВ

Что обнаружил анализ

Другая научная группа изучила 15,5 года общедоступных данных телескопа Fermi-LAT по 13 близким массивным скоплениям галактик. Исследователи сообщили об избытке излучения, похожем на узкую линию, в районе 43,2 ГэВ. Наибольший вклад дали скопления Девы, Печи и Змееносца.

Узкая гамма-линия представляет интерес потому, что некоторые модели тёмной материи предсказывают появление фотонов с характерной энергией при аннигиляции частиц. В рамках такой интерпретации сигнал может быть связан со слабо взаимодействующими массивными частицами — WIMP. Но это пока лишь возможная подсказка для физики частиц, а не прямое измерение тёмной материи.

Почему это ещё не открытие

Интересный статистический результат не равен подтверждённому открытию. В представленном анализе значимость оценивается примерно в 4,3 сигмы — ниже традиционного порога в 5 сигм, который обычно используют в физике частиц для объявления открытия. В отдельном докладе на конференции для связанных анализов линии около 43 ГэВ приводится ещё более низкая значимость после учёта так называемого эффекта поиска по многим вариантам: 3,7 сигмы. Этот статистический штраф учитывает, что исследователи проверяли разные энергии и наборы данных.

Линия может появиться и по причинам, не связанным с тёмной материей:

• из-за неточной модели астрофизического гамма-фона;
• как статистическая флуктуация, усиленная выбором наиболее перспективных энергий или объектов;
• вследствие особенностей работы прибора, калибровки или отбора событий.

В предыдущих исследованиях скоплений с помощью Fermi-LAT также появлялась возможная линия около 43 ГэВ, однако глобально статистически значимого сигнала обнаружить не удалось. Поэтому нынешний результат разумнее считать направлением для дальнейшей проверки, а не доказательством обнаружения WIMP.

Как связаны эти два результата

SuperCDMS и анализ Fermi проверяют разные сценарии существования тёмной материи:

• SuperCDMS — эксперимент прямого обнаружения. Он ждёт, когда частица тёмной материи передаст энергию холодному кристаллу германия или кремния.
• Анализ Fermi — поиск косвенного сигнала. Он изучает излучение, которое могло бы возникать при аннигиляции частиц тёмной материи в плотных космических структурах.

Положительный результат в любом из этих подходов пришлось бы отличить от обычного фона и подтвердить дополнительными наблюдениями. Особенно убедительным стало бы согласованное свидетельство независимых методов, но до этого этапа пока далеко.

Что будет дальше

Для подземного эксперимента ближайшая важная веха — переход от настройки и ранних измерений к запланированному в 2027 году поиску на полной чувствительности. Больший объём накопленных данных и более точное понимание фона позволят строже проверить модели лёгкой тёмной материи. 26

Для гамма-сигнала решающим станет повторяемость. Более чувствительные обсерватории с лучшим энергетическим разрешением смогут проверить, появляется ли особенность около 43 ГэВ снова в тех же скоплениях и соответствует ли она предсказаниям моделей тёмной материи. Наблюдения на независимых приборах особенно важны для исключения систематических эффектов, связанных с Fermi.

К проблеме иначе подойдёт космический телескоп NASA Nancy Grace Roman. Его широкоугольные инфракрасные обзоры и измерения гравитационного линзирования помогут картировать распределение тёмной материи и изучать, как она влияет на видимые галактики, а не обнаруживать WIMP напрямую.

В совокупности эти программы показывают, почему поиск тёмной материи идёт сразу по нескольким направлениям: учёные ищут возможные столкновения частиц на Земле, продукты аннигиляции в космосе и гравитационное влияние невидимой материи на структуру Вселенной. На данный момент самый точный вывод прост: у исследователей появились две ценные подсказки, но подтверждённого ответа всё ещё нет.