В соответствии с современными космологическими данными около 23% массы Вселенной приходится на темную материю, что примерно в 5 раз превосходит обычное вещество, из которого сформированы звезды, межзвездный газ и всё, что окружает нас. Существуют серьезные основания полагать, что галактики не могли бы сформироваться без темной материи. Одними из наиболее вероятных кандидатов в частицы, формирующие темную материю, являются так называемые стабильные, нейтральные, слабо ионизирующие массивные частицы (Weakly Interacting Massive Particles, сокращенно WIMP).
На 12-й Конференции по физике астрочастиц и подземной физике (TAUP 2011, 5-9 сентября, Мюнхен, Германия) международный эксперимент CRESST, расположенный в подземной лаборатории Гран Сассо (Италия), представил новые результаты поиска темной материи.
Установка CRESST состоит из 8 кристаллов вольфрамата кальция CaWO4, весом 300 г каждый, который является хорошим сцинтиллятором при низких температурах. На охлажденный до температуры 10 мК кристалл нанесена тонкая сверхпроводящая свинцовая пленка, которая работает как высокочувствительный термометр. Если WIMP сталкивается с одним из атомных ядер детектора, то происходят колебания решетки кристалла, а также возникает сцинтилляционный свет. Колебания кристаллической решетки при регистрации WIMP (фононный сигнал) увеличивают температуру пленки. Таким образом, регистрация WIMP проявляет себя как температурный импульс. Сцинтилляционный свет регистрируется другим детектором, расположенным рядом с кристаллом. Хотя WIMP должны иметь большую массу (от 10 до 1000 ГэВ), регистрируемая в кристалле энергия мала из-за низкой скорости этих частиц и, соответственно, малы детектируемые сигналы. Фундаментальной проблемой является фон, связанный с нейтронами, фотонами, альфа и бета радиоактивностью. Сочетание температурного и сцинтилляционного сигналов позволяет идентифицировать фоны и эффективно их подавлять.
Анализ данных, накопленных с 8 кристаллами в течение около 2 лет, позволил выделить 67 событий, которые могут быть кандидатами в WIMP. При этом ожидаемый фон составил около 45 событий. Таким образом, статистическая значимость эффекта составила более 4<т. По утверждению авторов, маловероятно, что наблюдаемый избыток событий может быть объяснен фоном, и скорее всего этот избыток может быть интерпретирован как регистрация в детекторе частиц темной материи через когерентное рассеяние. Полученный в эксперименте диапазон масс этих частиц составил 10 — 50 ГэВ. Следует отметить, что полученный интервал масс (особенно в области 10—15 ГэВ) вполне согласуется с предыдущими положительными результатами, полученными в экотериментах DAMA/LIBRA и CoGeNT, но противоречит данным экспериментов CDMS, XENON10 и XENON100, которые не обнаружили доказательств существования WIMP в диапазоне масс 10 ГэВ — 10 ТэВ с чувствительностью, лучшей, чем получена в CRESST.
Экспериментальная ситуация выглядит исключительно интригующей. Интенсивные поиски WIMP большим количеством подземных экспериментов могут привести к их обнаружению в ближайшие годы, или практически исключить существование этих частиц и закрыть ряд теоретических моделей, объясняющих природу темной материи.
Ю.Г. Куденко,
ИЯИ РАН
arXiv:1109.0702 [astro-ph.CO]