Тёмную материю предложили искать внутри Солнца по неожиданному сигналу

Физики впервые рассчитали, насколько эффективно Солнце может захватывать частицы тёмной материи, взаимодействующие с нейтронами через спин-зависимый механизм. Оказалось, что наблюдения нейтрино и гамма-излучения от Солнца уже способны в некоторых сценариях устанавливать более строгие ограничения на свойства тёмной материи, чем эксперименты по её прямому обнаружению на Земле. В отдельных моделях чувствительность такого метода может распространяться даже ниже так называемого нейтринного тумана — области, где поиск тёмной материи земными детекторами становится особенно сложным.

Идея использовать Солнце в качестве естественного детектора тёмной материи существует давно. Солнечная система движется через гало тёмной материи Млечного Пути, поэтому гипотетические частицы постоянно должны проходить через Солнце. Обычно они пролетают насквозь, практически не взаимодействуя с обычным веществом. Однако иногда частица тёмной материи может столкнуться с атомным ядром внутри звезды и потерять часть своей кинетической энергии.

Если после столкновения скорость частицы становится достаточно низкой, солнечная гравитация не позволяет ей покинуть звезду. Частица оказывается гравитационно связанной с Солнцем, многократно проходит через его внутренние области и после последующих столкновений постепенно концентрируется ближе к центру.

Солнце способно захватывать частицы тёмной материи, которые после столкновений с веществом звезды теряют энергию и могут концентрироваться в её центральной области. Их количество определяется балансом между захватом, аннигиляцией и испарением. Если захваченные частицы способны аннигилировать друг с другом, при этом могут образовываться вторичные частицы. В зависимости от модели потенциальными наблюдаемыми сигналами могут быть нейтрино или гамма-излучение, которые можно искать с помощью астрономических приборов.

До сих пор подобные расчёты проводились для нескольких основных вариантов взаимодействия тёмной материи с обычным веществом. Исследователи изучали рассеяние на электронах, спин-независимое взаимодействие с атомными ядрами и спин-зависимое взаимодействие с протонами. Однако аналогичное спин-зависимое взаимодействие тёмной материи с нейтронами в случае Солнца практически оставалось без внимания.

Причина связана с составом нашей звезды. Солнце в основном состоит из водорода, ядро которого представляет собой один протон. Поэтому при спин-зависимом взаимодействии главным естественным объектом для столкновений частиц тёмной материи оказываются именно протоны. Нейтроны находятся в ядрах более тяжёлых элементов, содержание которых в Солнце значительно меньше.

Тхонг Т. К. Нгуен, Карлос Бланко и Тим Линден впервые подробно рассчитали захват тёмной материи Солнцем именно при спин-зависимом взаимодействии с нейтронами. Для этого они включили в модель присутствующие в современном стандартном описании Солнца изотопы с нечётным числом нейтронов, которые способны участвовать в таком взаимодействии.

Авторы рассчитали не только скорость захвата частиц, но и их испарение из Солнца. Последний процесс особенно важен для сравнительно лёгкой тёмной материи. Столкнувшись с горячими частицами солнечного вещества, захваченная частица тёмной материи может получить достаточно энергии, чтобы преодолеть гравитационное притяжение и покинуть звезду. Поэтому количество накопленной тёмной материи определяется балансом между её захватом, аннигиляцией и испарением.

После этого исследователи рассчитали возможные сигналы аннигиляции накопившейся тёмной материи и сравнили их с существующими наблюдениями нейтрино и гамма-излучения. Результаты показали, что, несмотря на небольшое содержание подходящих изотопов, Солнце может устанавливать конкурентоспособные ограничения на вероятность взаимодействия тёмной материи с нейтронами.

Для нескольких рассмотренных каналов аннигиляции полученные ограничения оказались сильнее существующих ограничений экспериментов прямого поиска. Это означает, что Солнце в определённых областях параметров фактически может работать как гигантский естественный детектор, дополняющий сверхчувствительные подземные установки на Земле.

Особенно интересный результат исследователи получили для моделей, в которых тёмная материя аннигилирует с образованием долгоживущих частиц-посредников. Такие частицы могут возникнуть глубоко внутри Солнца, покинуть его плотные внутренние слои и лишь затем распасться с образованием обычных частиц, включая гамма-кванты. Благодаря этому сигнал не обязательно поглощается веществом звезды до выхода наружу.

В подобных сценариях ограничения, получаемые с помощью Солнца, потенциально способны проникнуть ниже так называемого нейтринного тумана. Этим термином называют область чувствительности прямых детекторов тёмной материи, где взаимодействия обычных нейтрино с веществом начинают создавать фон, похожий на ожидаемые столкновения частиц тёмной материи. Полностью остановить поиски этот фон не должен, но дальнейшее улучшение чувствительности становится значительно сложнее.

Солнечный метод основан на другом принципе и поэтому позволяет исследовать часть параметров тёмной материи независимо от ограничений земных экспериментов. Вместо непосредственного столкновения неизвестной частицы с веществом лабораторного детектора исследователи ищут последствия огромного количества потенциальных взаимодействий, происходивших внутри Солнца на протяжении длительного времени.

Авторы также оценили возможности будущих нейтринных и гамма-телескопов. Повышение их чувствительности позволит дополнительно проверить область параметров, в которой тёмная материя преимущественно взаимодействует со спином нейтронов. Такой подход особенно ценен потому, что разные методы поиска чувствительны к разным предполагаемым свойствам неизвестных частиц.

Работа не означает, что тёмная материя уже обнаружена внутри Солнца. Исследователи использовали отсутствие соответствующего избыточного сигнала в существующих наблюдениях, чтобы определить, насколько сильным может быть взаимодействие гипотетических частиц с нейтронами. Чем более интенсивным было бы такое взаимодействие, тем больше частиц захватывало бы Солнце и тем сильнее в определённых моделях должен был бы быть наблюдаемый сигнал их аннигиляции.

Полученные результаты закрывают ранее практически не исследованный вариант солнечного поиска тёмной материи и показывают, что даже сравнительно редкие изотопы внутри Солнца могут иметь значение для фундаментальной физики. В сочетании с прямыми подземными экспериментами, нейтринными обсерваториями и гамма-телескопами этот метод позволит проверить более широкий диапазон возможных свойств частиц, из которых может состоять невидимая масса Вселенной.

Исследование опубликовано в виде препринта на arXiv.