Темные атомы: ученые ЮФУ объяснили тридцатилетнюю загадку итальянского детектора DAMA/LIBRA

Темная материя — одна из главных загадок современной космологии. Она составляет около 95% массы Вселенной, но не излучает и не поглощает свет, проявляя себя только через гравитацию. Ученые долгие годы пытались обнаружить частицы темной материи — в частности, WIMP (слабо взаимодействующие массивные частицы) — в ускорителях и подземных лабораториях, однако все попытки пока безуспешны.

На этом фоне особенно интригующими выглядят результаты эксперимента DAMA/LIBRA, который вот уже почти 30 лет работает в итальянской подземной лаборатории Гран-Сассо. Детектор регистрирует сцинтилляционные вспышки в кристаллах йодистого натрия с энергией от 2 до 6 кэВ, причем количество вспышек увеличивается в июне и уменьшается в декабре – такая годовая осцилляция повторяется из года в год. Статистическая значимость результата составляет 13,5 стандартных отклонений, что обычно считается убедительным доказательством.

Темные атомы вместо WIMP

Проблема в том, что другие детекторы, ищущие WIMP, не видят ничего похожего. Это противоречие вдохновило ростовских ученых на поиск альтернативного объяснения. В своей работе, опубликованной в журнале Universe совместно с руководителем эксперимента Ритой Бернабей и сотрудниками итальянской лаборатории, они предлагают гипотезу «темных атомов», впервые выдвинутую профессором Максимом Хлоповым еще в 2010 году.

Согласно этой гипотезе, темная материя состоит не из одиночных элементарных частиц, а из нейтральных составных объектов — темных атомов. Простейший из них образуется, когда дважды отрицательно заряженная частица связывается с ядром гелия в ранней Вселенной. Такие объекты ведут себя принципиально иначе, чем WIMP.

Как «темные атомы» взаимодействуют с детектором

Когда темные атомы пролетают сквозь Землю, они сталкиваются с породой, тормозятся и теряют энергию. Захватываясь ядрами натрия в кристаллах детектора, они образуют с ними слабосвязанное состояние, при этом выделяется гамма-квант с энергией как раз в регистрируемом диапазоне. Для тяжелых ядер йода такой процесс энергетически невыгоден, поэтому другие эксперименты, например на ксеноне, не видят этого сигнала — у них просто нет легких ядер, способных захватывать темные атомы.

Таким образом, гипотеза объясняет не только годовые осцилляции в DAMA/LIBRA, но и отрицательные результаты других установок. Это делает ее особенно привлекательной для проверки.

Ключевым тестом для новой модели станет австралийская лаборатория SABRE South — первая установка по поиску темной материи в Южном полушарии, аналогичная DAMA/LIBRA. Если она тоже зарегистрирует годичные колебания, это будет практически окончательным доказательством, что природа скрытой массы раскрыта. Как подчеркивает Максим Хлопов, подтверждение гипотезы откроет уникальные возможности для практического освоения темных атомов.

Пока же ученые ЮФУ продолжают совершенствовать модель: рассчитывают электрическое и ядерное взаимодействие темных атомов с обычным веществом, учитывают распределение заряда внутри ядер и их возможную деформацию. Кроме того, они разрабатывают методику проверки гипотезы на коллайдерах — в поисках стабильных многозарядных частиц — и в астрофизических наблюдениях эффектов присутствия темных атомов в небесных телах.