Солнце не выдало тёмную материю — но 15 лет наблюдений всё же дали измеримый результат
iXBT.com ·
Нейтринный телескоп ANTARES (Astronomy with a Neutrino Telescope and Abyss environmental RESearch project) не обнаружил статистически значимого избытка нейтрино, который мог бы указывать на аннигиляцию частиц тёмной материи в центре Солнца. Зато анализ полного массива данных за 2007–2022 годы позволил в 2–3 раза улучшить прежние ограничения на взаимодействие гипотетических частиц тёмной материи с протонами. Результаты охватывают широкий диапазон масс WIMP-частиц.
Нейтринный телескоп ANTARES (Astronomy with a Neutrino Telescope and Abyss environmental RESearch project) не обнаружил статистически значимого избытка нейтрино, который мог бы указывать на аннигиляцию частиц тёмной материи в центре Солнца. Зато анализ полного массива данных за 2007–2022 годы позволил в 2–3 раза улучшить прежние ограничения на взаимодействие гипотетических частиц тёмной материи с протонами. Результаты охватывают широкий диапазон масс WIMP-частиц.
WIMP (Weakly Interacting Massive Particles, слабо взаимодействующие массивные частицы) остаются одним из наиболее популярных кандидатов на роль тёмной материи. Согласно рассматриваемому сценарию, частицы из гало тёмной материи могут проходить через Солнце, сталкиваться с его ядрами, терять энергию и оказываться гравитационно захваченными. Постепенно накапливаясь в центре звезды, WIMP-частицы могут аннигилировать друг с другом, а продукты этих реакций способны порождать нейтрино, которые покидают Солнце и достигают Земли.
Именно такие нейтрино искали учёные. ANTARES находится на глубине около 2,5 км в Средиземном море и работал с 2007 года до февраля 2022-го. Детектор регистрировал черенковское излучение, возникающее от заряженных частиц, рождающихся при взаимодействии высокоэнергетических нейтрино с веществом. Его 12 вертикальных нитей длиной по 450 м образовали трёхмерный массив из оптических модулей: на каждой нити 25 уровней, а на каждом уровне — по 3 модуля с фотоприёмниками.
После предварительной проверки качества данных для анализа осталось 4551 день эффективной работы детектора — 12,47 года. Это почти втрое больше данных, чем в предыдущей наблюдательной кампании ANTARES 2007–2012 годов. Чтобы повысить чувствительность поиска, учёные применили 3 разных метода реконструкции событий: один был оптимизирован для нейтрино с энергиями ниже 100 ГэВ, второй — для промежуточного диапазона, а третий — для энергий выше 500 ГэВ. В том числе использовались методы машинного обучения для восстановления параметров событий, зарегистрированных только одной линией детектора.
Анализ проводился вслепую: реальные направления событий не использовались для выбора оптимальных критериев отбора до завершения настройки методики. Фон оценивали, перемешивая временные метки зарегистрированных событий, что позволяет сохранить свойства данных, но убрать связь с движущимся по небу Солнцем для беспристрастного анализа. Для проверки статистики исследователи сгенерировали 10 000 псевдоэкспериментов для каждого сочетания массы WIMP-частицы, канала аннигиляции, метода реконструкции, критериев отбора и предполагаемого числа сигнальных событий.
Расчёты охватывали 17 значений массы WIMP: от 35 до 10 000 ГэВ/с². Для каждой массы рассматривались 3 эталонных канала аннигиляции. Спектры нейтрино моделировались с помощью кода, который учитывает рождение нейтрино в Солнце, их взаимодействия и поглощение внутри звезды, а также осцилляции на пути к Земле.
Ни для одной из исследованных масс и каналов аннигиляции данные не показали статистически значимого избытка относительно ожидаемого фона. Вместо однозначной регистрации сигнала учёные получили верхние пределы на поток солнечных нейтрино и, на их основе, на взаимодействия WIMP-частиц с протонами. Суммарные систематические неопределённости оценки составили около 20%.
Новые ограничения оказались в 2–3 раза строже предыдущих результатов ANTARES. Для спин-зависимого взаимодействия при массах WIMP выше 100 ГэВ/с² полученные ограничения конкурентоспособны с результатами других экспериментов и в рассматриваемых сценариях аннигиляции могут быть строже ограничений прямого поиска. Для спин-независимого взаимодействия прямые эксперименты дают более строгие пределы.
Так, отсутствие однозначного сигнала от Солнца не означает, что WIMP-гипотеза в поисках тёмной материи исключена. Результат ANTARES показывает, какие значения сечения взаимодействия и массы частиц уже плохо согласуются с наблюдениями, и расширяет совокупность экспериментальных ограничений на одну из наиболее изучаемых моделей тёмной материи для будущих изысканий.