Новый метод может позволить напрямую обнаружить тёмную материю

Иллюстрация процесса внутреннего образования пар в тёмной материи. Автор: Нитьяса Мишра.

Тёмная материя (ТМ) составляет около 80% массы Вселенной, но до сих пор её не удавалось обнаружить напрямую из-за отсутствия взаимодействия со светом. Большинство предыдущих экспериментов были направлены на поиск слабых взаимодействий ТМ с обычной материей или косвенных признаков её присутствия.

Исследователи из Техасского университета A&M предложили новый подход, основанный на процессе «внутреннего образования пар» в тёмной материи. Их работа, опубликованная в журнале Physical Review Letters, открывает новые возможности для поиска различных кандидатов в частицы тёмной материи.

«Природа частиц ТМ может проявиться, когда частица ТМ сталкивается с ядром и создаёт наблюдаемый сигнал отдачи», — пояснили авторы исследования. «Однако для лёгкой ТМ передача достаточной энергии тяжёлому ядру кинематически сложна. Чтобы преодолеть это ограничение, мы разработали механизм, при котором в конечном состоянии образуются дополнительные частицы, позволяя энергии ТМ распределяться между ними, в то время как ядро остаётся практически неподвижным».

Предложенный метод, разработанный Бхаскаром Дуттой, Апараджитой Картикеян, Мудитом Раи и Хёнён Кимом, может значительно повысить вероятность обнаружения лёгкой ТМ в экспериментах по рассеянию.

Учёные предлагают использовать процесс столкновения частиц ТМ с ядрами в плотных материалах, где может происходить образование пар лептонов (например, мюонов или электронов) или фотонов. Эти высокоэнергетические процессы дают чёткие сигналы, которые можно отделить от фоновых нейтринных взаимодействий.

Исследователи планируют применить этот метод в экспериментах по поиску ТМ в галактике и астрофизических источниках, таких как блазары, используя крупные детекторы, включая DUNE, Hyper-Kamiokande и IceCube.

Дополнительная информация: Bhaskar Dutta et al, Dark Matter Internal Pair Production: A Novel Direct Detection Mechanism, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/ry3x-dw48.