Семилетний эксперимент DarkSide-50 не нашел следов составной тёмной материи, но сузил поиск

С 2013 по 2020 год учёные из коллаборации DarkSide работали с детектором DarkSide-50, установленным в подземной лаборатории INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso в Италии. Основная задача — проверить, может ли тёмная материя существовать в виде «ультратяжёлых ядерных» частиц, то есть составных объектов, которые сами состоят из более элементарных компонентов.

Две конкурирующие теории

До сих пор физики рассматривали две основные гипотезы о природе тёмной материи: аксионы и слабовзаимодействующие массивные частицы (WIMP). Обе теории предполагают, что тёмная материя состоит из элементарных частиц, которые невозможно разложить дальше — в отличие от атомного ядра, которое распадается на протоны и нейтроны.

Новый подход: «тёмная ядерная физика»

Примерно десять лет назад исследователи, включая Джоселин Монро из Оксфордского университета, предложили альтернативную идею. Они предположили, что тёмные частицы могли бы связываться в ранней Вселенной, образуя очень крупные «тёмные ядра», потенциально содержащие миллиарды или намного больше составляющих. Если такая структура существует, то при столкновении с атомным ядром в детекторе одна составная частица тёмной материи могла бы рассеяться несколько раз, оставляя характерный отпечаток — в отличие от элементарной частицы, которая произвела бы одно единственное рассеяние.

Как работал детектор

DarkSide-50 представляет собой цилиндрический резервуар с жидким аргоном. Когда частица тёмной материи сталкивается с ядром аргона, ядро отдачи выделяет энергию, которая регистрируется в виде слабых вспышек света. Анализ этих сигналов позволяет определить, имеет ли тёмная материя внутреннюю структуру.

Результаты: отсутствие доказательств, но ценные ограничения

Исчерпывающий анализ данных, собранных за семь лет работы, не выявил прямых свидетельств взаимодействия составной тёмной материи с ядрами аргона. Однако это не означает провала. Результаты позволили исследователям исключить широкий диапазон предложенных свойств ультратяжёлой тёмной материи. Как отметила Монро, чувствительность детектора зависит от свойств составляющих компонентов — «тёмных нуклонов», что показывает: внутренняя структура тёмной материи может иметь наблюдаемые последствия.

Что дальше: DarkSide-20k

В 2027 году коллаборация DarkSide планирует запустить детектор DarkSide-20k, который будет использовать примерно в 1000 раз больше жидкого аргона, чем его предшественник. По словам Монро, это откроет возможность наблюдать сигнатуры «тёмной химии». Кроме того, текущая работа показывает, что существующие эксперименты способны тестировать кандидатов на роль тёмной материи, которые сильно отличаются от классических WIMP.

Контекст: поиск невидимой материи

Тёмная материя составляет примерно 85% массы Вселенной, но остаётся одной из самых больших загадок физики. Её прямое обнаружение продолжает ускользать от учёных, поэтому исследователи систематически проверяют различные гипотезы. Результаты DarkSide-50 — это очередной шаг в сужении пространства возможных свойств тёмной материи и подготовка к более чувствительным экспериментам будущего.

Это данные исследования, а не медицинский совет.