В современной астрофизике много загадок, но три вопроса — темная материя, темная энергия и инфляция — составляют комплекс наиболее интересных проблем за пределами так называемой Стандартной модели — представлений о физике, получивших широкое распространение к 1970-м годам. На решение этих проблем направлены сегодня усилия многих астрофизиков.
Фото: casey-horner / unsplash.com
Фото: casey-horner / unsplash.com
Ученые Института ядерных исследований РАН Анатолий Копылов, Игорь Орехов и Валерий Петухов подготовили к публикации в журнале «Ядерная физика» статью о поиске темных фотонов с помощью мультикатодного счетчика. Целью их эксперимента PHELEX (PHoton ELectron EXperiment) является поиск темной материи.
Единственное эмпирическое доказательство существования темной материи — астрономические наблюдения. Согласно данным, полученным из астрономии, примерно 84% всей материи содержится в несветящейся форме, которая не наблюдается впрямую с помощью обычных физических приборов, обнаруживается только по ее гравитационному воздействию на окружающие тела, а потому называется «темной». Человечество в настоящее время находится в полном неведении относительно природы этой темной материи, и это первая загадка. Помимо этого темная материя распределена в галактиках в виде сферы. Это разительно отличается от обычного, барионного вещества, которое распределено в плоскости галактики. Это составляет вторую загадку.
Наиболее популярный кандидат на темную материю в настоящее время — это массивные слабовзаимодействующие частицы WIMP (weakly interacting massive particle), и основные усилия экспериментаторов сфокусированы на поисках этих частиц. Для решения этой задачи созданы многотонные детекторы, однако поиск в течение уже примерно 30 лет пока не привел к положительному результату. Старший научный сотрудник ИЯИ РАН Анатолий Копылов и его коллеги предложили новый метод, который мог бы открыть темную материю. Темный фотон — это партнер обычного фотона, имеющий массу в отличие от простого фотона. Эта частица интересна для эксперимента тем, что в результате так называемого кинетического смешивания она может конвертироваться в обычный фотон и, например, в результате фотоэффекта вызвать эмиссию электрона с поверхности металла. Метод Копылова и коллег как раз нацелен на регистрацию электронов, эмитируемых с поверхности металлического катода счетчика, образующихся при конверсии темного фотона на его поверхности. Скорость счета одиночных электронов здесь как раз определяет константу кинетического смешивания, входящую наряду с массой темного фотона и потенциалом нового постулируемого поля в соответствующий Лагранжиан. Мишенью в этом методе являются свободные электроны вырожденного электронного газа металла, из которого изготовлен катод счетчика.
В работе российских физиков публикуются первые результаты по верхнему пределу на величину константы смешивания. Измерения проводились с мультикатодным счетчиком, расположенным в специальном защитном боксе из стали для снижения фона от окружающего гамма-излучения. Этот результат включен в мировую компиляцию данных по свойствам элементарных частиц (Particle Data Group). То есть ученые ИЯИ РАН показали, что метод работает. Важным его достоинством является то, что детектор обладает направленностью. Если вектор электрического поля темных фотонов направлен вдоль оси счетчика, ожидаемый эффект равен нулю. Если вектор направлен перпендикулярно оси счетчика, эффект максимален. Если вектор электрического поля темных фотонов ориентирован определенным образом в солнечной или звездной системе координат, при вращении Земли мы должны наблюдать суточные вариации в этой и именно этой системе координат. Это дает важный критерий, чтобы отличать истинные события и ложные. Это важно, потому что одно дело — наблюдать эффект и другое — доказать, что наблюдаемый эффект именно от темных фотонов.
Замечательной особенностью здесь является то, что кривая суточных вариаций должна быть симметрична относительно момента, когда вектор поляризации темного фотона лежит в плоскости меридиана, где расположена лаборатория со счетчиком. Это должно наблюдаться даже, если детали конверсии темных фотонов на поверхности металлического катода счетчика отличаются от тех, что заложены в используемой модели. Кривая суточных вариаций должна зависеть также от ориентации самого счетчика и от географической широты местоположения счетчика. Поверхность катода счетчика должна быть зеркальной, для матовой поверхности катода этот эффект не должен наблюдаться. Все эти особенности позволяют построить надежный критерий, чтобы отличать истинные события и ложные.
«Эксперимент, который мы сейчас проводим, заключается в круглосуточном измерении на протяжении достаточно большого времени (нескольких лет для получения достаточно большой статистики; к настоящему моменту мы ведем ее в течение двух лет) скоростей счета одиночных электронов в конфигурации 1 (когда измеряется эффект плюс фон) и в конфигурации 2 (когда измеряется только фон). За сутки удается набрать примерно 1 терабайт данных. Затем результаты обрабатываются офлайн, и данные группируются по часам в солнечных и звездных сутках. В результате получаем кривые суточных вариаций. Если получим симметричную кривую в соответствующей системе координат, это будет указанием на эффект от темных фотонов»,— говорит Анатолий Копылов.