Вимп

Вимп
Участвует во взаимодействиях	Гравитационное[1], слабое
Статус	Гипотетическая
Масса	Должна быть как минимум в несколько десятков раз больше массы протона[2]
В честь кого или чего названа	Слабое взаимодействие, массивность
Квантовые числа

Вимп (от англ. WIMP, Weakly Interacting Massive Particle) — гипотетическая слабовзаимодействующая массивная частица. Хотя устоявшегося термина для этого понятия в русскоязычной литературе нет, слово «вимп» широко используется в разговорной речи специалистов. Вимпы являются кандидатами на роль основного компонента холодной тёмной материи, которая даёт около четверти вклада в общую плотность Вселенной (наблюдаемая барионная плотность в 6 раз меньше). Предполагается, что из четырёх фундаментальных взаимодействий вимпы участвуют только в слабом и гравитационном. Поэтому реликтовые (родившиеся вскоре после Большого Взрыва) вимпы очень трудно обнаружить экспериментально. Масса вимпов должна быть как минимум в несколько десятков раз больше массы протона^[2]. Среди возможных кандидатов на роль вимпов чаще всего рассматриваются легчайшие суперсимметричные частицы (нейтралино), которые в большинстве теорий суперсимметрии являются стабильными.

Термин WIMP был предложен в 1986 году американским космологом Майклом Тёрнером (англ. Michael S. Turner), который является также автором термина «тёмная материя». Этот акроним связан с значением английского слова wimp — «зануда, слабак»^[3][4].

Экспериментальные попытки обнаружения

Прямое детектирование

Предполагается, что вимпы составляют сферическое гало в нашей Галактике; они должны двигаться хаотически, с максвелловским распределением по скоростям (средняя скорость в районе Солнца — около 300 км/с). Если сечение рассеяния вимпов на атомном ядре не слишком мало, возможно их прямое детектирование с помощью ядерных детекторов, хорошо защищённых от внешнего фона (в частности, необходимо размещение детектора глубоко под землёй, чтобы защититься от космического излучения). Вследствие орбитального и суточного движения детектора вместе с Землёй темп счёта детектора будет испытывать годичные и суточные вариации; благодаря этому полезный сигнал можно отделить от фона. Максимальный темп счёта ожидается, когда проекция орбитальной скорости Земли на скорость движения Солнца относительно центра Галактики (и газа вимпов) максимальна.

Коллаборация DAMA утверждает^[5], что в многолетнем эксперименте с детектором, состоящим из сцинтилляторов NaI(Tl) и расположенном в подземной лаборатории Гран-Сассо (Италия), наблюдались годичные вариации скорости счёта, согласующиеся по фазе с ожидаемыми вариациями. Из результатов этого эксперимента следует, что вимпы должны иметь массу от 30 до 100 ГэВ/с² и сечение упругого рассеяния на ядрах (2-15)⋅10⁻⁶ пбн. Другие коллаборации по поиску частиц тёмной материи не подтверждают существования подобных частиц — имеется противоречие, которое должны разрешить будущие исследования (2013 год).

В декабре 2009 года коллаборация CDMS-2 (англ. Cryogenic Dark Matter Search) опубликовала работу, в которой сообщается о регистрации двух событий в сигнальной области, что можно интерпретировать как свидетельство детектирования вимпов с вероятностью 77 %, основываясь на оценках ожидаемых сигналов от фона^[6][7]. Вероятность того, что эти события объясняются фоновым шумом^[8], — 23 %.

В феврале 2010 года небольшой эксперимент CoGeNT сообщил о регистрации нескольких сотен событий за 56 дней, что интерпретируется как возможный сигнал от вимпов с массой 7-11 ГэВ/с² (пока учёные осторожны в своих выводах: по их словам, полученные результаты необходимо проверить).^[9][10][11] Детектор CoGeNT (англ. Coherent Germanium Neutrino Technology) представляет собой кремний-германиевый полупроводниковый диск размером с хоккейную шайбу и располагается в бывшей шахте по добыче железной руды в штате Миннесота на глубине около 600 метров (англ. Soudan Underground Mine State Park, в той же самой, что и детектор CDMS).^[12]

В июне 2011 года были опубликованы результаты эксперимента CoGeNT, интерпретируемые как подтверждение сезонных вариаций сигнала, аналогичных предсказанным теоретически и зарегистрированным ранее в итальянском эксперименте DAMA^[13][14][15].

В сентябре 2011 были опубликованы^[16] результаты второй фазы эксперимента CRESST, использующего криогенные детекторы, состоящие из монокристаллов вольфрамата кальция. С накопленной экспозицией 730 кг·дней авторы обнаружили 67 событий, совпадающих с экспериментальной сигнатурой ядер отдачи. Это число превышает оцененный ожидаемый фон от внешних нейтронов, гамма-квантов и т. д. Если интерпретировать сигнал как проявление соударений вимпов с ядрами, то его могут описывать две возможные области в пространстве параметров: одна из них концентрируется вокруг значений массы вимпа M = 11,6 ГэВ/с² и сечения упругого рассеяния на ядре σ = 3,7⋅10⁻⁵ пбн, вторая — вокруг значений M = 25,3 ГэВ/с² и σ = 1,6⋅10⁻⁶ пбн.

В апреле 2013 года коллаборация CDMS, уточнив полученные ранее данные второй фазы своего эксперимента с использованием кремниевых полупроводниковых детекторов, объявила о регистрации частиц тёмной материи с уровнем достоверности, равным трём стандартным отклонениям, или с вероятностью 99,81 %. При ожидаемом уровне шумов 0,7 события, удалось зарегистрировать три события с энергиями ядер отдачи около 10 кэВ. Оценочная масса зарегистрированных вимпов M = 8,6 ГэВ/с^2[17][18]. При этом, как отмечают сами авторы, остаётся противоречие с данными более чувствительного эксперимента XENON, не обнаружившего указаний на существование вимпов с такими массой и сечением рассеяния на ядрах, а два других эксперимента, видящих указание на наличие вимпов (DAMA и CDMS), наблюдают сигнал в других областях пространства параметров, не совместимых ни друг с другом, ни с данными CDMS. Поэтому окончательного ответа, зарегистрированы ли вимпы экспериментально, пока нет.

В октябре 2013 года были опубликованы результаты наиболее чувствительного на тот момент эксперимента LUX, проводившегося в Южной Дакоте. Поиск вёлся в широком диапазоне возможных масс вимпов с пиком в чувствительности для массы равной 33 ГэВ/с^2[19]. За 85 дней исследователи не обнаружили ни одного сигнала из 1600 ожидавшихся, таким образом, установив наиболее жёсткие ограничения на возможные параметры вимпов. Этот результат совпадал с менее точным экспериментом XENON, однако противоречил результатам, полученным группами CoGENT и CDMS^[20][21].

Непрямое детектирование

Существуют также предложения, относящиеся к непрямому детектированию вимпов. Большинство вимпов пролетают сквозь Солнце, не взаимодействуя с его веществом, и, следовательно, они не могут быть гравитационно захвачены. Однако, если вимп рассеивается на одном из ядер внутри Солнца, он может уменьшить скорость и остаться в гравитационном поле Солнца. Постепенно накапливаясь в гравитационной потенциальной яме, вимпы создают вблизи её центра концентрацию, достаточную, чтобы начать аннигилировать друг с другом. Среди продуктов такой аннигиляции могут быть высокоэнергичные нейтрино, беспрепятственно покидающие центр Солнца. Они могут быть зарегистрированы наземным детектором (например, Супер-Камиоканде). Возможно также непрямое детектирование гравитационно захваченных вимпов, аннигилирующих в центре Земли или в ядре Галактики. Большинство этих предложений пока не были реализованы.

В октябре 2010 года Дэн Хупер из Национальной лаборатории имени Ферми и Лиза Гуденоуг из университета Нью-Йорка заявили, что им удалось идентифицировать аннигиляцию вимпов и их античастиц в одной из галактик. Ими были проанализированы данные о гамма-излучении, зарегистрированные орбитальным гамма-телескопом «Ферми», и сделан вывод, что ни один из других видов источников не может объяснить наблюдаемые факты. Согласно приведённой в работе оценке масса вимпов должна находиться в интервале 7,3—9,2 ГэВ/с^{2[22][23][24]}.

См. также

• CRESST
• Wimpzilla

Литература

• Рябов В. А., Царев В. А., Цховребов А. М. Поиски частиц тёмной материи (рус.) // Успехи физических наук. — Российская академия наук, 2008. — Т. 178. — С. 1129—1164. — doi:10.3367/UFNr.0178.200811a.1129.
• Roszkowski L., Sessolo E.M., Trojanowski S. WIMP dark matter candidates and searches — current status and future prospects // Reports on Progress in Physics. — 2018. — Vol. 81. — P. 066201 (43 pp). — doi:10.1088/1361-6633/aab913. — arXiv:1707.06277.

Ссылки

• Обзорная статья Particle Data Group по поиску вимпов (англ.)
• На тёмной стороне // STRF.ru — «Наука и технологии России», 12.12.2013

Эксперименты

• Сайт коллаборации CDMS Архивная копия от 19 июня 2000 на Wayback Machine (CDMS)
• Сайт коллаборации COUPP
• Сайт коллаборации CRESST
• Сайт коллаборации DAMA Архивная копия от 4 ноября 2005 на Wayback Machine
• Сайт коллаборации EDELWEISS
• Сайт коллаборации HDMS
• Сайт коллаборации XENON
• Сайт коллаборации ZEPLIN
• Сайт коллаборации DEAP Архивная копия от 2 апреля 2009 на Wayback Machine
• Сайт коллаборации DRIFT
• Сайт коллаборации WARP

Примечания

1. Удивительный мир внутри атомного ядра. Вопросы после лекции Архивная копия от 15 июля 2015 на Wayback Machine, ФИАН, 11 сентября 2007 года
2. Игорь Сокальский. Темная материя // Химия и жизнь. — 2006. — № 11. Архивировано 7 апреля 2013 года.
3. Steigman G., Turner M. S. Cosmological constraints on the properties of weakly interacting massive particles (англ.) // Nuclear Physics B. — 1985. — Vol. 253. — P. 375—386. — ISSN 0550-3213. — doi:10.1016/0550-3213(85)90537-1. [исправить]
4. Turner M. S. (2022). "The Road to Precision Cosmology". arXiv:2201.04741.
5. Geoff Brumfiel. Italian group claims to see dark matter - again (англ.) // Nature. — 2008. — Vol. 452. — P. 918.
6. The CDMS II Collaboration. Dark Matter Search Results from the CDMS II Experiment (англ.) // Science. — 2010. Архивировано 13 февраля 2010 года.(полная версия Архивная копия от 29 мая 2020 на Wayback Machine с arxiv.org)
7. Ученые впервые экспериментально зафиксировали частицы тёмной материи  (рус.). РИА Новости (12 февраля 2010). Дата обращения: 12 февраля 2010. Архивировано 5 февраля 2012 года.
8. Scientific American. Dark Matter Researchers Still in the Dark as Underground Search Returns Uncertain Results, 17.12.2009.  (неопр.) Дата обращения: 20 декабря 2009. Архивировано 19 марта 2011 года.
9. Физики заявили о возможной регистрации лёгкой тёмной материи, Lenta.ru, 01.03.2010.  (неопр.) Дата обращения: 6 июля 2020. Архивировано 12 июня 2021 года.
10. C.E. Aalseth et al. (CoGeNT collaboration), Results from a Search for Light-Mass Dark Matter with a P-type Point Contact Germanium Detector Архивная копия от 26 июля 2020 на Wayback Machine, arXiv:1002.4703 [astro-ph], 25.02.2010.
11. Eric Hand. A CoGeNT result in the hunt for dark matter  (неопр.). Nature News (26 февраля 2010). Архивировано 5 февраля 2012 года.Note: article will only be publicly accessible for a few days
12. Учёные нашли новые подтверждения существованию тёмной материи Архивная копия от 1 марта 2010 на Wayback Machine // РИА Новости, 27.02.2010
13. C. E. Aalseth et al. Search for an Annual Modulation in a P-type Point Contact Germanium Dark Matter Detector (англ.) // arxiv.org. — 2011. Архивировано 15 июня 2020 года.
14. "New Data Still Have Scientists in Dark Over Dark Matter" (англ.). Science Daily. 8 июня 2011. Архивировано 10 июня 2011. Дата обращения: 8 июня 2011.
15. "Новые данные не пролили света на природу тёмной материи". Викиновости. 8 июня 2011. {{cite news}}: |access-date= требует |url= (справка)
16. G. Angloher et al. Results from 730 kg days of the CRESST-II Dark Matter search (англ.) // The European Physical Journal C. — 2011. — Vol. 72, no. 4. — P. 1971. — doi:10.1140/epjc/s10052-012-1971-8. — arXiv:1109.0702.
17. CDMS Collaboration. Dark Matter Search Results Using the Silicon Detectors of CDMS II (англ.). — 2013. — arXiv:1304.4279.
18. А. Березин (15 апреля 2013). "Заявлено о регистрации частиц тёмной материи". Компьюлента. Архивировано 17 апреля 2013. Дата обращения: 17 апреля 2013.
19. Paul Preuss (30 октября 2013). "First Results from LUX". Берклиевская национальная лаборатория. Архивировано 31 октября 2013. Дата обращения: 31 октября 2013.
20. Adrian Cho (30 октября 2013). "New Experiment Torpedoes Lightweight Dark Matter Particles". Science NOW. Архивировано 1 ноября 2013. Дата обращения: 31 октября 2013.
21. Eugenie Samuel Reich (30 октября 2013). "No sign of dark matter in underground experiment". Nature News. Архивировано 1 ноября 2013. Дата обращения: 31 октября 2013.
22. Физики «увидели» следы темной материи в данных с телескопа «Ферми»  (рус.). РИА Новости (23 октября 2010). Дата обращения: 23 октября 2010. Архивировано 5 февраля 2012 года.
23. Fermilab theorist sees dark matter evidence in public data (англ.). Symmetry Breaking (22 октября 2010). Дата обращения: 23 октября 2010. Архивировано 5 февраля 2012 года.
24. Dan Hooper, Lisa Goodenough. Dark Matter Annihilation in The Galactic Center As Seen by the Fermi Gamma Ray Space Telescope (англ.) // arxiv.org. — 2010. Архивировано 29 июля 2020 года.