«Физика темной материи стала частью физики нейтрино»

Что лучше всего использовать для детекторов, пытающихся уловить темную материю, а что им мешает, когда будет достигнуто «нейтринное дно» и что будет, если за 20 лет исследователи не найдут вимпы, рассказал в интервью Indicator.Ru заместитель директора по фундаментальным исследованиям и руководитель отделения физики нейтрино НИЦ «Курчатовский институт» Михаил Скорохватов.

— Детектор эксперимента DarkSide заполнен аргоном. Почему используется именно это вещество?

— Детектор, используемый в проекте DarkSide, относится к типу двухфазных время-проекционных камер, которые работают на сжиженных благородных газах. Аргон — наиболее подходящий газ, поскольку он обладает удобными для работы свойствами, и его можно производить в больших объемах. В других экспериментах используется ксенон, но он заведомо более дорогой и его производится гораздо меньше. Так как мы рассчитываем на масштабирование детекторов — на следующей фазе предполагается работа установки, которая будет использовать 20 тонн сжиженного газа, а затем еще больше, — то аргон является более перспективным по сравнению с ксеноном.

— Что такое время-проекционная камера?

— Время-проекционная камера состоит из заполненного веществом чувствительного объема, в котором создано электрическое поле для диффузии электронов. Проходя через детектор, частица ионизирует вещество вдоль трека, и образовавшиеся электроны дрейфуют к положительному полюсу, причем время дрейфа позволяет определить координату первичной ионизации, т. е. координату взаимодействия частицы в детекторе. Жидкий аргон весьма удобен в качестве чувствительной среды по нескольким причинам. Во-первых, аргон является благородным газом, может быть хорошо очищен от электроотрицательных примесей, и следовательно, электроны ионизации не будут поглощаться в процессе дрейфа. Во-вторых, аргон сцинтиллирует (кратковременно испускает свет, — прим. Indicator.Ru) при прохождении ионизирующей частицы, высвобождая количество сцинтилляционных фотонов, пропорциональное энергии, выделяемой в аргоне проходящей частицей. Также одной из основных причин использования жидкого аргона в качестве чувствительной среды является его плотность, т.к. вероятность взаимодействия частиц темной материи мала и для регистрации детекторы должны обладать большой массой.

— А что значит «двухфазный детектор»? В чем его преимущество перед однофазными?

— У такой время-проекционной камеры есть жидкая фаза, где находится основная масса аргона, и специальный небольшой промежуток газовой фазы над ней. В этом случае образующиеся в результате прохождения ионизирующей частицы электроны под действием поля дрейфуют в сторону газового промежутка и, выходя из него, электролюминесцируют. Таким образом, каждое событие взаимодействия частиц внутри аргона имеет несколько характерных признаков — первичный сцинтилляционный сигнал, электролюминесцентный сигнал и временной промежуток между ними, позволяющий определить координату взаимодействия внутри чувствительного объема. Анализ всех признаков события позволяет понизить фон и улучшить чувствительность детектирования.

Следует отметить, что существуют и однофазные детекторы, полностью заполненные жидким аргоном, например установка, используемая в эксперименте DEAP. Однако двухфазные детекторы более чувствительны. Интересно подчеркнуть, что они были предложены в СССР Борисом Долгошеиным из МИФИ. Тем не менее, в нашей стране они не получили достаточного развития. Продвижение технологии было предпринято в зарубежных научных центрах, причем в значительной степени усилиями уехавших из России ученых. Сегодня это практически повсеместно используемая техника для регистрации гипотетических частиц темной материи с помощью детекторов на ксеноне, на аргоне, использующих один и тот же принцип, который был придуман у нас.

— К какому диапазону масс чувствителен детектор DarkSide?

— Сейчас в эксперименте достигнута чувствительность к частицам с массой больше 1 гигаэлектронвольт (ГэВ). Первоначально мы работали в диапазоне от 20 ГэВ, но в последнее время было показано, что на аргоне можно понизить порог чувствительности до 1 ГэВ. Это важное достижение, которое мы подчеркиваем в наших работах.

— Какой источник шума на данный момент является самым существенным?

— В основном это внешние нейтроны, так как они также являются тяжелыми частицами с массой порядка 1 ГэВ, которые могут успешно имитировать сигнал рассеяния темной материи на аргоне. Поэтому для подавления фоновых событий, вызванных нейтронами, вокруг детектора устанавливается специальная защита, которая позволяет эти нейтроны поглотить, чтобы их было как можно меньше, либо установить, что зарегистрированное событие на самом деле было взаимодействием с нейтроном, а не с искомой частицей темной материи.

— Откуда берутся эти нейтроны? Это естественная радиоактивность?

— Они берутся из разных источников. Есть естественная радиоактивность: в любых породах содержится, например, уран, который делится с образованием нейтронов. Однако более существенным источником является космическое излучение. Проникающая глубоко под землю компонента космических лучей, состоящая из мюонов, взаимодействует с ядрами в детекторе и его окружением и генерирует вторичные нейтроны, от которых спастись достаточно тяжело.

— Когда планируется начало работы следующего этапа эксперимента с массой рабочего тела в 20 тонн?

— Сегодня DarkSide — это гигантская коллаборация, в которую входят более 300 ученых из 15 стран и 60 научных центров. Улучшение установки — это последовательность работ, рассчитанных на долгие годы вперед. В проекте DarkSide исследования начались с камерой массой 50 кг и, в основном, работа с данной камерой в текущем году будет завершена. Сейчас в CERN строится другая камера на одну тонну аргона — это будет второй этап проекта DarkSide, в котором должны быть отработаны новые технологии для сооружения камеры массой 20 тонн. Мы надеемся, что это получится в районе 2021 года, когда начнется новый эксперимент, продолжительность которого предсказать сегодня достаточно трудно. Тем не менее, параллельно мы планируем начать разработку следующего детектора на 300—400 тонн. Таким образом, DarkSide — это долгосрочная научная программа, рассчитанная на достижение предельной чувствительности, которая определяется так называемым «нейтринным дном», т. е. детектированием взаимодействия нейтрино с аргоном, которые будут имитировать искомый сигнал.

— Это какие-то высокоэнергетические нейтрино? Откуда они берутся?

— Не обязательно высокоэнергетические. В случае когерентного рассеяния на ядрах аргона это могут быть атмосферные или солнечные нейтрино с умеренными энергиями. Такой источник фона невозможно устранить, хотя эта проблема встанет не скоро. Пока что ни один детектор этого уровня не достиг, должно пройти еще по крайней мере лет десять — тогда такие вопросы будут по-настоящему актуальными. Тем не менее, они, очевидно, встанут, но, может быть, мы найдем темную материю раньше.

— При переходе к новому этапу планируются другие улучшения помимо увеличения объема рабочего тела?

— Планируется внедрение нескольких новых технологий. В частности, мы собираемся перейти на более изотопически чистый аргон. Аргон является смесью изотопов, которая содержит бета-радиоактивный аргон-39, что создает дополнительные трудности в отборе событий. Уже на текущем этапе аргон добывался специальным образом из подземных скважин, и он был обеднен по 39-му изотопу. В перспективе планируется дальнейшее искусственное удаление радиоактивного аргона с помощью криогенной дистилляции в строящемся на Сардинии заводе. Второе — для регистрации сцинтилляционных сигналов планируется переход на низкорадиоактивные кремниевые фотосенсоры (Si-ФЭУ), которые заменят стандартные фотоумножители, конструкционные материалы которых не являются радиационно-чистыми. Также планируется улучшить активную защиту от нейтронов.

— Новый детектор также будет расположен в итальянской подземной лаборатории Гран-Сассо?

— Да, по крайней мере, 20-тонный эксперимент DarkSide-20k будет в Гран-Сассо. Дальше уже надо смотреть, может быть, надо искать более глубокую лабораторию. Например, в Канаде есть подходящее место, и участвующая в нашем эксперименте канадская группа предлагает потом туда перенести детектор. Однако это не вопрос ближайшего будущего.

— На данный момент наиболее строгие ограничения на параметры темной материи были установлены в таких экспериментах, как LUX, XENON1T и PANDA. В будущем какие установки покажут наилучшие результаты?

— Безусловно, весьма привлекательный путь — наступление по широкому фронту поисков с привлечением разных подходов и разных детектирующих комплексов. Однако, учитывая перспективу масштабирования детекторов, ресурсы для их сооружения приходится складывать. Как субъективно видится сегодня, больше перспектив для выживания есть у двух глобальных проектов: эксперимента LZ — объединения коллабораций LUX и Zeplin, и эксперимента DarkSide. Причем в детекторе LZ используется ксенон, и на мишень более 10 тонн вряд ли можно рассчитывать за счет ограничений мирового производства ксенона. Так что в этом смысле у DarkSide есть перспектива продвижения вперед по массе, но, тем не менее, LZ — очень важный эксперимент, и он будет обладать высокой чувствительностью. Кто знает, может быть, они раньше найдут темную материю.

— Принципиальная схема у них такая же? Двухфазная, время-проекционная?

— Да, все то же самое, только они работают с ксеноном.

— Можете сравнить текущие результаты DarkSide с другими аналогичными экспериментами?

— Как уже было отмечено, важным результатом первого этапа нашей работы, DarkSide 50, стало продвижение в область малых масс, чего не сделали другие группы. В этом диапазоне в эксперименте DarkSide 50 были получены лучшие результаты, а в области больше 20 ГэВ пока данные лучше у эксперимента XENON1T и некоторых других. В этом смысле трудно сравнивать, нужны разные эксперименты.

— Существует большое количество теоретических моделей темной материи и рассматриваются не только вимпы (WIMP — Weak Interaction Massive Particles), но и гораздо более легкие частицы. Вы считаете перспективным поиск в других диапазонах масс?

— Конечно, так как никто не знает, какова природа скрытой массы Вселенной, необходимы поиски в разных направлениях. Например, одним из таких направлений является поиск легких частиц, которые называются аксионы. В одном из подразделений Курчатовского института — в Петербургском институте ядерной физики — работает группа, которая участвует в эксперименте по их регистрации. Это также важно, ведь определенных указаний на природу и состав темной материи пока нет.

— Какие из российских организаций участвуют в DarkSide, кроме Курчатовского института?

— Еще участвуют физики из ОИЯИ (Дубна), НИИЯФ МГУ и БелГУ. Вместе там большая команда из России.

— Давайте рассмотрим не ближайшую, а несколько отдаленную перспективу. В течение 20 лет, скорее всего, будет достигнуто принципиальное ограничение для детектирования таких вимпов. Если мы не найдем темную материю до этого момента, что надо будет делать?

— Поиски продолжатся. Какая-то область будет закрыта, часть теоретических моделей будет отвергнута. Обратим внимание, что мы говорили о поисках гипотетических тяжелых нейтральных частицах, но исследования скрытой массы в прямых и косвенных экспериментах гораздо шире. Например, в других экспериментах ищут легкие частицы. Один из кандидатов — это не известные сегодня типы нейтрино.

Следует подчеркнуть, что сейчас физика темной материи фактически стала частью физики нейтрино, поскольку экспериментальные методы детектирования весьма схожи. Детектирование слабовзаимодействующих с веществом нейтрино нуждается в наиболее чувствительных и низкофоновых методах регистрации — это как раз определяет принципы организации прямых экспериментов по поискам гипотетических частиц темной материи. Поэтому опыт и наработки нейтринных экспериментов нам также важны. Так, проект DarkSide был рожден в недрах проекта BOREXINO по изучению солнечных нейтрино.

— Какие будущие эксперименты в области физики нейтрино помогут исследовать новые частицы — стерильные нейтрино или нейтрино с другой спиральностью?

— Стерильные нейтрино ищутся, в некоторых экспериментах есть указания на то, что они существуют. Но однозначного подтверждения пока не было, а представленные доказательства могут быть связаны с ошибками в интерпретации результатов измерений.

Однако следует обратить внимание на принципиальный момент: в современную теорию физики частиц, т. н. Стандартную модель (СМ), входят только левосторонние нейтрино и правосторонние антинейтрино, т. е. частицы, у которых спин направлен, соответственно, против или вдоль вектора импульса. Это означает, что правосторонние нейтрино и левосторонние антинейтрино вообще не взаимодействуют с веществом в рамках этой модели. Экспериментально такие нейтрино не обнаружены, но если они существуют, то могут составлять некую часть темной материи.

— Как обстоят дела с экспериментами в этой области?

— Наиболее острыми вопросами физики нейтрино являются определение абсолютных значений масс и выяснение природы массовых состояний нейтрино, т. е. является ли нейтрино дираковским фермионом, как и другие лептоны и кварки в СМ, или майорановским фермионом, т. е. частицей, тождественной своей античастице. Для нейтрино, не обладающих электрическим зарядом, майорановский вариант вполне возможен и даже предпочтителен.

Существует сценарий, который предполагает минимальное расширение СМ за счет добавления «тяжелых» майорановских правосторонних нейтрино, в рамках которого оказывается возможным решить сразу две задачи — объяснить малую массы нейтрино и существование скрытой массы Вселенной в виде новых нейтральных частиц темной материи.

Отдельный вопрос, как экспериментально решить эту проблему. Единственный эксперимент, который позволил бы установить майорановскую природу нейтрино, — это существование процесса безнейтринного двойного бета-распада некоторых ядер. Поиск таких ядерных процессов ведется не одно десятилетие. Положительных результатов пока нет, но интерес к подобным экспериментам не ослабевает ввиду принципиальной важности проблемы.

Прямые поиски майорановских правосторонних нейтрино проводятся в экспериментах на ускорителях в распадах тяжелых мезонов, хотя пока также безуспешно. В обоих направлениях ведется разработка экспериментов нового поколения с целью увеличения чувствительности поисков.

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Подписывайтесь на Indicator.Ru в соцсетях: Facebook, ВКонтакте, Twitter, Telegram, Одноклассники.