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 . 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» .

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 утверждает , 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 / с ² 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 . Вероятность того, что эти события объясняются фоновым шумом , — 23 %.

В феврале 2010 года небольшой эксперимент сообщил о регистрации нескольких сотен событий за 56 дней, что интерпретируется как возможный сигнал от вимпов с массой 7-11 ГэВ/с ² (пока учёные осторожны в своих выводах: по их словам, полученные результаты необходимо проверить). 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. , в той же самой, что и детектор CDMS ).

В июне 2011 года были опубликованы результаты эксперимента , интерпретируемые как подтверждение сезонных вариаций сигнала, аналогичных предсказанным теоретически и зарегистрированным ранее в итальянском эксперименте .

В сентябре 2011 были опубликованы 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/с ² и сечения упругого рассеяния на ядре σ = 3,7⋅10 ⁻⁵ пбн, вторая — вокруг значений M = 25,3 ГэВ/с ² 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 . 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 , проводившегося в Южной Дакоте . Поиск вёлся в широком диапазоне возможных масс вимпов с пиком в чувствительности для массы равной 33 ГэВ/с ² . 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 .

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 .

См. также

• CRESST
• Wimpzilla

Литература

• Рябов В. А., Царев В. А., Цховребов А. М. (рус.) // Успехи физических наук . — Российская академия наук , 2008. — Т. 178 . — С. 1129—1164 . — doi : .
• 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 : . — arXiv : .

Ссылки

• (англ.)
• // STRF.ru — «Наука и технологии России», 12.12.2013

Эксперименты

• от 19 июня 2000 на Wayback Machine ( CDMS )
• от 4 ноября 2005 на Wayback Machine
• от 2 апреля 2009 на Wayback Machine

Примечания