Китайские физики напрямую зарегистрировали эффект Мигдала, который был предсказан более 80 лет назад. Для этого они просмотрели около миллиона событий от столкновений нейтронов с атомными ядрами, зарегистрированных при помощи газового пиксельного детектора. Результаты опубликованы в Nature.
Согласно современным представлениям, во Вселенной примерно в пять раз больше темной материи, чем обычного вещества. Ученые пока не знают, из чего она состоит, но многие модели предполагают, что темную материю могут образовывать еще не обнаруженные нейтральные частицы, которые крайне слабо взаимодействуют с обычными атомами. Особый интерес в последние годы вызывает легкая темная материя с массами от мегаэлектронвольт до гигаэлектронвольт. Для таких кандидатов стандартная стратегия прямого поиска работает хуже: при столкновении с ядром атома они сообщают ему слишком малую энергию, и чистую ядерную отдачу детектор может просто не заметить. Поэтому физики ищут способы получить дополнительный, более заметный сигнал, который помог бы вытянуть событие выше порога регистрации.
Один из таких механизмов — эффект Мигдала, который предложен в 1939 году Аркадием Мигдалом. Если нейтральная частица — например, частица темной материи или нейтрон — сталкивается с ядром, электронная оболочка не успевает мгновенно перестроиться. В результате часть электронов переходит в возбужденные состояния или ионизуется. Тогда вместе с ядерной отдачей появляется электронный отклик — именно он и может стать тем самым усилением. Однако для нейтрального рассеяния этот эффект долго оставался теоретическим допущением.
Группа ученых под руководством Янхэн Джэна (Yangheng Zheng) из Университета Китайской академии наук построила газовый пиксельный детектор, чувствительность которого позволяет одновременно различать треки ядерной отдачи и электрона. В качестве среды они использовали смесь из 40 процентов гелия и 60 процентов диметилового эфира, а изображение трека снимали пиксельным чипом Topmetal-II с шагом 83 микрометра. Сигнал усиливали газовой микроканальной пластиной. Источником нейтронов служил компактный D–D генератор, дающий частицы с энергией около 2,5 мегаэлектронвольта.
Ключевым признаком события Мигдала была общая вершина двух треков: яркого и относительно прямого трека ядерной отдачи и более слабого электронного трека рядом. В анализе оставляли ядерные отдачи с видимой энергией выше 35 килоэлектронвольт и электроны в диапазоне 5–10 килоэлектронвольт. Данные набирали около 150 часов, а фон оценивали по комбинации экспериментальных данных и моделирования. Суммарное ожидаемое число фоновых событий в области поиска составило около 0,2.
На основе шести кандидатов авторы оценили отношение сечения процесса Мигдала к сечению обычной ядерной отдачи как 4,9 × 10−5 и отметили, что оно согласуется в рамках неопределенности с теоретическими расчетами для их газовой смеси. Статистическая значимость обнаружения составила более пяти стандартных отклонений.
По мнению исследователей, теперь эффект Мигдала — это не просто теоретическое допущение, но и реально измеренное явление, которое можно будет использовать для поиска легкой темной материи. Ранее мы писали о том, как ученые ищут ее при помощи квантовых устройств.