Ученые описали способ
увеличения энергии частиц темной материи, что должно облегчить их регистрацию в
детекторах. Предложенный метод основан на взаимодействии с ядрами в
метастабильных состояниях, которое должно приводить к передаче энергии и ускорению
частиц темной материи. Подходящие ядра встречаются как в природе, так и
оказываются побочными продуктами работы атомных реакторов и медицинской
аппаратуры, пишут авторы в журнале Physical Review D.
Темная материя — это
гипотетический новый компонент Вселенной, который решает несколько проблем
современной космологии и позволяет привести теоретические расчеты в соответствие
с наблюдениями. Существует множество принципиально разных вариантов темной
материи, но наиболее разработанным и популярным среди ученых является
представление о ней как о новом типе частиц, не участвующих в электромагнитном
взаимодействии.
На данный момент нет
убедительных данных о существовании частиц темной материи, только верхние
ограничения на параметры их взаимодействий с обычным веществом. Как правило,
эти результаты получены в экспериментах, где физики ищут соударения частиц
темной материи с электронами или ядрами обычных атомов, из-за чего последние
приобретают заметную скорость и вызывают срабатывание детектора.
Однако частицы в рамках ряда
гипотез о природе темной материи, в том числе неупругой темной материи и сильно
взаимодействующей темной материи, не должны передавать значительное количество
энергии, что делает существующие методы поиска неэффективными. В связи с этим
данные идеи остаются значительно хуже протестированными с помощью опытов по
прямому поиску.
Максим Поспелов (Maxim
Pospelov) из Института теоретической физики Периметр в Канаде и его коллеги из
США предложили способ обойти данное ограничение. Для его реализации необходимо
обеспечить взаимодействие низкоэнергетической частицы темной материи с ядром в
метастабильном состоянии. В таком случае ядро вернется в основное состояние, а выделившаяся
энергия будет распределена между частицей темной материи и излученным фотоном.
В результате получается ускоритель для темной материи, который может
перевести энергию искомых частиц в подходящий для регистрации диапазон.
Для реализации задумки рядом
с обычным детектором темной материи необходимо поместить резервуар с метастабильными
ядрами. Необходимо подобрать ядра с малой вероятностью спонтанного перехода в
основное состояние, чтобы они могли оставаться метастабильными в течение долгого
времени. Такие состояния известны — это изомерные состояния, переходы из
которых запрещены правилами отбора по спину или четности. В результате время их
полураспада может достигать миллиардов лет, но в случае обмена угловым моментом
при рассеянии на другой частице правило отбора перестает действовать и
происходит быстрый распад.
Теоретически, такой метод
предоставляет три возможности наблюдать искомый сигнал: по излучению фотона при
распаде метастабильного состояния, по вторичному рассеянию темной материи в
теле детектора или по распаду самой частицы темной материи из-за получения
большой энергии.
Авторы называют четыре
изомера наиболее подходящими для этой цели: 180mTa, 177mLu, 137mBa и 78mHf. Для
времени полураспада тантала существует лишь нижняя граница на уровне 1016 лет,
у бария оно равно 2,55 минутам, у лютеция — 160 дням, а у гафния — 31 году. Тантал
можно добывать из естественных источников, так как данный изомер настолько
устойчив, что его распад никогда еще не наблюдался, барий накапливается в
отходах атомных реакторов, лютеций — в отходах от радионуклидного лечения рака,
гафний в нужном состоянии остался от неудавшихся старых экспериментов по
попыткам сохранения энергии в метастабильных изомерах.
Ранее физики оценили параметры темной материи, использовав в качестве детектора живых людей, запретили ей состоять из черных дыр с массой Луны и опровергли идею о сверхтекучей темной материи с помощью наблюдений динамики Млечного Пути. Об основных моделях этого компонента Вселенной мы делали тест — «Какая ты темная материя?».
