Плутоний против тёмной материи: физики нашли новый способ искать невидимую Вселенную
Темная материя не светится, не отражает излучение и почти не выдает присутствия напрямую, однако гравитация скрытой массы влияет на движение галактик и устройство Вселенной. Физики из Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса решили искать возможную частицу темной материи внутри распада плутония-241. Первые результаты эксперимента Magneto-ν уже позволили провести одну из наиболее точных проверок подобного сценария, хотя признаков искомой частицы пока обнаружить не удалось.
Исследователи ищут стерильное нейтрино, гипотетическую частицу за пределами Стандартной модели физики. В отличие от обычных нейтрино, стерильный вариант может обладать значительно большей массой, в частности находиться в диапазоне килоэлектронвольт. Подобные частицы рассматривают как возможный компонент так называемой теплой темной материи. Результаты первого этапа Magneto-ν опубликованы в журнале Physical Review C.
Основой эксперимента стал бета-распад плутония-241. Ядро плутония превращается в америций-241 и одновременно испускает электрон и антинейтрино. Масса возникающего антинейтрино может различаться, а в случае рождения тяжелого стерильного нейтрино часть энергии распада должна уходить на массу новой частицы. Физики рассчитывают заметить подобный энергетический след.
Поймать само антинейтрино практически невозможно из-за крайне слабого взаимодействия нейтрино с веществом. Magneto-ν работает по обратному принципу. Детекторы измеряют энергию электрона и отдачу ядра америция-241, после чего исследователи вычисляют, сколько энергии унесла невидимая частица. Общая энергия распада заранее известна, поэтому недостающую долю можно восстановить по энергетическому балансу.
Рождение тяжелого стерильного нейтрино должно слегка изменить форму спектра бета-распада. В данных появится небольшой излом в области энергии, соответствующей массе частицы. Для поиска столь слабого сигнала команда использует магнитные микрокалориметры, способные регистрировать крошечные изменения температуры после каждого ядерного распада. Изменение температуры считывает сверхпроводящий квантовый интерференционный прибор SQUID.
Плутоний-241 оказался особенно удобен для подобных измерений. Средняя энергия электронов при бета-распаде составляет около пяти кэВ и попадает в диапазон масс, представляющий интерес при поисках стерильных нейтрино как кандидатов на теплую темную материю. Микрокалориметр поглощает почти всю доступную энергию распада за исключением доли, унесенной антинейтрино. Высокая эффективность регистрации и линейный отклик детектора помогают уменьшить искажения спектра, способные замаскировать слабый сигнал.
Первый эксперимент продолжался десять дней и не выявил признаков тяжелого стерильного нейтрино. Нулевой результат, однако, подтвердил работоспособность метода и позволил получить наиболее точное на сегодняшний день значение энергии бета-распада плутония-241. Разработанная схема также снижает влияние систематических ошибок, возникающих из-за свойств источника, детектора или математической модели спектра.
Следующий этап Magneto-ν предполагает увеличение числа детекторов, применение пиксельных массивов сенсоров и более длительные измерения. Повышение чувствительности позволит искать значительно более слабые искажения спектра плутония-241 и проверять космологические модели, в которых стерильные нейтрино формируют часть темной материи. Обнаружение подобной частицы одновременно дало бы физикам новую зацепку для объяснения природы темной материи и происхождения массы нейтрино.