Частицы темной материи не удается обнаружить напрямую из-за того, что они отталкиваются от частиц обычной материи, считает физик. По его расчетам, опубликованным в Physical Review D, если радиус действия этой отталкивающей силы сопоставим с радиусом Земли или превышает его, частиц темной материи около планеты просто нет, и физикам нечего детектировать.
Обнаружить гравитационное действие темной материи несложно, например, наблюдая за движением галактик или искажением света, проходящего мимо галактических скоплений. Однако в прямых экспериментах, предполагающих, что электроны или атомные ядра должны рассеиваться на частицах темной материи (пусть и очень слабо), она до сих пор себя не проявила. Полученные экспериментально ограничения на сечения подобных процессов огромны — например, эксперименты на LHC устанавливают верхнюю границу для сечения 10−46 ÷ 10−42 квадратных сантиметров.
Хуман Давудиазл объяснил отсутствие прямых наблюдений темной материи тем, что рядом с Землей ее попросту нет. Ученый предположил, что взаимодействие между частицами темной и обычной материи осуществляется посредством бозона с очень маленькой массой (порядка 10−14 электронвольт), так что между этими частицами возникает сила отталкивания, которая имеет радиус действия, сравнимый с радиусом Земли. Такой подход к описанию взаимодействий используется в теоретической физике с тех пор как Юкава объяснил взаимодействие между адронами с помощью пиона.
В результате вокруг Земли возникает эффективный потенциал, в котором частицам темной материи энергетически невыгодно находиться близко от планеты.
Впрочем, нужно иметь в виду, что статья физика является чисто теоретической и предполагает только один из способов объяснить неудачи экспериментов по прямому детектированию. Более того, в этой статье теоретик не приводит никаких аргументов в пользу существования такой эффективной отталкивающей силы (кроме невероятно малых значений для сечения взаимодействия, полученных в экспериментах) и не вычисляет массу предложенного бозона каким-либо независимым способом. Тем не менее, экспериментально проверить эту гипотезу в принципе можно. Например, учет этого взаимодействия должен привести к поправкам при гравитационном линзировании на скоплениях галактик. Кроме того, если масса бозона достаточно мала и радиус действия сил оказывается сравним с радиусом орбиты Земли, в течение года число прямых регистраций рассеяния частиц темной материи на нуклонах будет изменяться, и эту зависимость можно померить экспериментально. Разумеется, если точность соответствующих экспериментов достигнет необходимой величины.
nplus1.ru, 22 ноября 2017, Дмитрий Трунин
https://nplus1.ru/news/2017/11/22/dark-repulsion
Журнал Physical Review D
Хуман Давудиазл (Hooman Davoudiasl). Брукхейвенская национальная лаборатория
https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.96.095019
Глава 11-12-6
Физики заподозрили земную кору в «ослеплении» детекторов темной материи
Июль 2018
Датские физики показали, что существующие подземные детекторы темной материи принципиально не могут зарегистрировать сильно взаимодействующую темную материю, поскольку ее частицы рассеиваются и замедляются в земной коре. Статья опубликована в Physical Review D.
В основе конструкции типичного детектора темной материи лежит огромная масса обычного вещества (например, жидкого ксенона), которая постоянно просматривается чувствительными детекторами, способными почувствовать даже очень слабую вспышку света. Расчет заключается в том, что при рассеянии частицы темной материи на частице обычной материи можно точно установить массу частицы, запустившей реакцию. Соответственно, чем больше масса детектора и чем дольше мы ведем наблюдение, тем выше вероятность увидеть рассеяние частицы темной материи. Способы детектирования и химический состав вещества у каждого детектора могут отличаться, однако основная цель всегда одинакова — увеличить массу рабочего вещества и удлинить период наблюдений.
Тем не менее, датские физики-теоретики Тимон Эмкен (Timon Emken) и Крис Куварис (Chris Kouvaris) заметили, что помещение детекторов глубоко под землю может быть как преимуществом, так и недостатком. В самом деле, все такие эксперименты предполагают, что сечение взаимодействия частиц темной материи с частицами обычной материи слишком мало, чтобы километровый слой земли вызвал хоть сколько-нибудь заметное уменьшение их количества. С другой стороны, если сечение будет лежать в промежуточной области, то частицы темной материи будут все так же слабо взаимодействовать с обычным веществом, однако будут рассеиваться и тормозиться по пути к детектору. В этом случае увеличение массы и длительности периода наблюдений не поможет увидеть темную материю.