Поиски темной материи в диапазоне суб-ГэВ: сотрудничество SENSEI сообщает о первых результатах
Детектор SENSEI в SNOLAB. Слева: два модуля ПЗС в медном лотке. В середине: медный корпус ПЗС и лотки, развернутые внутри сосуда. Справа: закрытый вакуумный сосуд SENSEI перед установкой внешних медных, свинцовых и поливодных экранов. Автор: Prakruth Adari et al
Обнаружение частиц темной материи и понимание их базовой физики является давней целью исследований для многих исследователей по всему миру. Поиски темной материи были направлены на обнаружение различных возможных сигналов, которые могли быть связаны с присутствием этих неуловимых частиц или с их взаимодействием с обычной материей.
SNOLAB — канадская подземная физическая лаборатория, расположенная на глубине 2 км в никелевом руднике Вейла Крейтон в Садбери (Онтарио, Канада). После завершения первоначального эксперимента по наблюдению за нейтрино в Садбери (SNO), объекты инфраструктуры были расширены до постоянной подземной лаборатории.
Хотя доступ осуществляется через шахту, сама лаборатория поддерживается как чистая комната класса 2000 с очень низким уровнем пыли и фоновой радиации.
SNOLAB — вторая по глубине расположения подземная лаборатория в мире (после лаборатории Цзиньпин в Китае, на 2016 год). Википедия
Исследовательская группа, анализирующая данные, собранные этим детектором, получившая название коллаборация SENSEI, опубликовала результаты своего первого поиска темной материи с энергиями ниже ГэВ в SNOLAB в журнале Physical Review Letters.
«Основной целью нашей недавней статьи был поиск кандидатов на роль частиц темной материи с массой ниже массы протона, которую мы называем «темной материей с массой менее ГэВ», поскольку масса протона составляет около 1 ГэВ», — рассказал Phys.org соавтор статьи Рувен Эссиг.
«Результаты, которые мы представили, появились после нескольких лет усилий, в ходе которых команда SENSEI улучшила чувствительность своих детекторов к темной материи с энергиями ниже ГэВ и снизила влияние других типов событий, которые имитируют события темной материи (т. е. «фонов»). Это первое исследование SENSEI, в котором используются данные, собранные в SNOLAB, одной из самых глубоких лабораторий в мире, расположенной на глубине более 2 км под землей в Садбери, Канада».
Тёмная материя в астрономии и космологии, а также в теоретической физике — гипотетическая форма материи, которая не испускает электромагнитного излучения и напрямую не взаимодействует с ним. Это свойство данной формы вещества затрудняет и, возможно, даже делает невозможным её прямое наблюдение.
Вывод о существовании тёмной материи сделан на основании многочисленных, согласующихся друг с другом, но косвенных признаков поведения астрофизических объектов и по создаваемым ими гравитационным эффектам. Выяснение природы тёмной материи поможет решить проблему скрытой массы, которая, в частности, заключается в аномально высокой скорости вращения внешних областей галактик. Википедия
«SENSEI использует сверхчувствительные кремниевые приборы с зарядовой связью Skipper (Skipper CCD), которые позволяют нам искать частицы темной материи, рассеивающиеся на электроне в кремнии», — говорит Келли Стифтер, соавтор статьи.
«Такое рассеивание высвободило бы лишь небольшое количество электронов (примерно 1-10) из атомов кремния в одном из пикселей ПЗС-матрицы Skipper. Революционный прогресс, достигнутый ПЗС-матрицей Skipper (по сравнению с обычной ПЗС-матрицей), произошел в 2017 году и позволяет нам точно измерять количество электронов в каждом из миллионов пикселей устройства».
С помощью сверхчувствительных ПЗС Skipper детектор SENSEI позволяет исследователям искать суб-ГэВ темную материю с высокой чувствительностью. Первый экспериментальный запуск детектора в SNOLAB и последующий анализ собранных данных позволили исследователям установить беспрецедентные ограничения на взаимодействия этого кандидата на темную материю с электронами и ядрами.
«Мы получили первые результаты поиска темной материи с помощью Skipper-CCD в 2018 году, а затем еще несколько в течение следующих нескольких лет», — пояснил Хавьер Тиффенберг, соавтор статьи.
«Примечательно, что эти эксперименты проводились вблизи поверхности Земли, которая заполнена космическими лучами, которые иногда могут имитировать события, похожие на темную материю. Наша статья PRL представляет первый результат нашего сотрудничества, полученный в ходе эксперимента, который проводится в SNOLAB, который находится глубоко под землей и хорошо защищен».
Фотография, показывающая внутренние части детектора SENSEI. Автор: SENSEI collaboration.
Экспериментальный цикл, в ходе которого были собраны данные, проанализированные исследователями в рамках этого недавнего исследования, проводился в течение 7 месяцев, с 2022 по 2023 год.
Чтобы установить новые ограничения на взаимодействие темной материи с энергиями ниже ГэВ с электронами и ядрами, участники коллаборации SENSEI специально измерили количество событий, зафиксированных детектором, содержащим один или несколько электронов, что позволило им установить ограничения на частицы темной материи, которые могли создавать эти события.
«Одной из наших целей в будущей работе является использование большего количества матриц Skipper-CCD, чтобы мы могли обнаружить больше частиц темной материи», — сказал Шо Уэмура, соавтор статьи.
«Теперь мы показали, что можем управлять массивом Skipper-CCD и продолжать улучшать их производительность по сравнению с нашими предыдущими результатами с одним Skipper-CCD. Наше понимание фоновых событий и наша способность удалять их из данных идут в ногу с увеличенным размером детектора».
Статья, подготовленная в рамках коллаборации SENSEI, может послужить основой для будущих исследований, направленных на обнаружение темной материи, что может привести к еще более чувствительным поискам частиц темной материи с энергиями ниже ГэВ.
Теперь исследователи планируют еще больше повысить чувствительность детектора, что может способствовать обнаружению этих неуловимых частиц или позволить им установить еще более строгие ограничения на их взаимодействие с обычной материей.
«Мы уверены, что сможем еще больше снизить фон в наших Skipper-CCD, и мы также планируем увеличить количество Skipper-CCD, которые мы эксплуатируем», — сказала Ана Ботти, соавтор статьи. «Оба эти фактора улучшат чувствительность нашего детектора к темной материи».
Ключевым аспектом исследовательских усилий коллаборации SENSEI является понимание того, как лучше всего эксплуатировать новые высокочувствительные датчики, максимально увеличивая их потенциал для обнаружения сигналов, связанных с темной материей. Это связано с тем, что эффекты детектора (например, темные счетчики или ложные заряды), производимые без взаимодействия частиц, часто могут доминировать над фоновыми сигналами, собранными при попытке зафиксировать редкие события, такие как взаимодействия темной материи,
«Поскольку ПЗС-камеры Skipper — это новая технология, инструкции по их использованию не существует», — добавил Ботти.
«Разработка стратегий по снижению этих показателей и смягчению их влияния на анализ имела решающее значение для постоянного улучшения результатов SENSEI. Мы также рассматриваем возможность разработки новых технологий, аналогичных Skipper-CCD, для обнаружения светлой и темной материи с целью дальнейшего повышения чувствительности.
«Стоит отметить, что наша работа в SENSEI вывела нас на передовые позиции в развитии этой технологии, применение которой выходит за рамки физики элементарных частиц и распространяется на такие области, как астрономия и квантовая визуализация».
Больше информации: Prakruth Adari et al, First Direct-Detection Results on Sub-GeV Dark Matter Using the SENSEI Detector at SNOLAB, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.011804. On arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2312.13342
0 комментариев