JUNO (Цзянмэньская подземная нейтринная обсерватория (англ. Jiangmen Underground Neutrino Observatory) и другие детекторы традиционно настроены на регистрацию нейтрино — легких частиц, очень слабо взаимодействующих с веществом.
Однако группа исследователей из Национальной ускорительной лаборатории США (SLAC National Accelerator Laboratory) и государственного университета штата Огайо показала: детекторы можно переориентировать на поиск «легкой» темной материи — частиц с массами ниже одного гигаэлектронвольта (sub-GeV). Работа опубликована в журнале Physical Review Letters.
Идея состоит не в том, чтобы регистрировать отдельные столкновения компонентов темной материи с атомами барионной материи — такие события почти неотличимы от фона. Вместо этого ученые предлагают анализировать статистическое отклонение (annual modulation) в общем уровне сигнала фотоусилителей внутри детектора.
Преимущества поиска легкой темной материи в нейтринных детекторах:
- Станции Borexino, SNO+ и JUNO — это тысячи тонн жидкого сцинтиллятора, что гарантирует огромное «цельное» пространство для потенциальных рассеяний;
- Сцинтиллятор обладает очень низким порогом возбуждения электронов, что делает его идеально чувствительным для регистрации слабых суб-GeV столкновений;
- В определенном диапазоне масс предложенный метод потенциально превосходит существующие (и пока малоэффективные) прямые методы обнаружения темной материи
Авторы статьи рассчитали, что при годовом анализе данных JUNO сможет достичь чувствительности на уровень перекрестного сечения взаимодействия «темная материя — электрон» около 10⁻³⁹ см² для MeV-масштаба частиц.
Перспективы и сложности
Предложенный подход может открыть новую веху в охоте на темную материю. Если удастся подтвердить сигналы, это может оказаться первым экспериментальным успехом в обнаружении легких DM-частиц.
Однако для этого потребуется стабильное и длительное измерение фона фотоэлектронных умножителей, оптимизация модели сцинтиллятора, учет внешних посторонних эффектов, а также перекрестные проверки на разных обсерваториях мира.
В целом, переосмысление роли нейтринных обсерваторий — от детекторов нейтрино к «ловцам» темной материи — выглядит перспективным. Этот метод может стать важным дополняющим компонентом в глобальной стратегии поиска темной материи — особенно в ее «легком» варианте.
Подробнее о детекторе JUNO — в материале Hi-Tech Mail.