Главный научный сотрудник Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ Вадим Бедняков получил явные выражения и сделал оценки ожидаемой скорости счета событий прямого детектирования частиц темной материи (DM), одновременно учитывающие упругий и неупругий каналы взаимодействия частицы темной материи с ядром-мишенью. При этом в данном подходе при расчете вклада неупругих процессов впервые было учтено влияние энергии возбуждения ядра. Помимо Стандартной модели распределения темной материи вблизи Земли в работе рассмотрено влияние других моделей, допускающих заметно большие скорости DM-частиц.

На основе предложенного ранее подхода к описанию рассеяния слабовзаимодействующих нерелятивистских массивных нейтральных частиц были получены явные выражения и сделаны оценки для ожидаемой скорости счета событий прямого детектирования частиц темной материи, одновременно учитывающие упругий (когерентный) и неупругий (некогерентный) каналы взаимодействия DM-частицы с ядром-мишенью. Впервые в данном подходе при расчете вклада неупругих процессов было учтено влияние энергии возбуждения ядра. Корреляции между энергией возбуждения и допустимыми значениями кинетической энергии отдачи возбужденного ядра заметным образом ограничивают возможности детектирования неупругого канала некоторыми ядрами.

Помимо Стандартной модели распределения темной материи вблизи Земли было рассмотрено влияние других моделей, допускающих заметно большие скорости DM-частиц. С ростом энергии отдачи ядра TA имеет место плавный переход от доминирования упругого канала к доминированию неупругого канала DM-ядерного взаимодействия. Если DM-детектор настроен на регистрацию (только) событий упругого рассеяния, то он ничего не может регистрировать, когда энергия отдачи ядра оказывается ниже порога регистрации. При возрастании TA такой детектор теряет способность что-либо «видеть», поскольку упругие процессы быстро сходят на нет. Единственным возможным свидетельством произошедшего взаимодействия становится излучение от снятия возбуждения ядра. В случае спин-независимого взаимодействия с ростом TA неупругий вклад достаточно быстро становится основным. Дифференциальная скорость счета событий при этом уменьшается незначительно. Если DM-частица взаимодействует с нуклонами только спин-зависимым образом, то на ядрах с нулевым спином детекторы, традиционно ориентированные на регистрацию упругого спин-зависящего DM-сигнала, ничего не смогут зарегистрировать, поскольку весь сигнал идет через неупругий канал.

Получается, что искомые взаимодействия DM-частиц вполне могут иметь заметную интенсивность, но прибор не способен их обнаружить. Таким образом, следует планировать эксперименты по прямому детектированию частиц темной материи в постановке, когда возможно детектирование двух сигналов — энергии отдачи ядра и γ-квантов с определенной энергией от снятия ядерного возбуждения. Такой эксперимент даст полную информацию о произошедшем DM-взаимодействии.

Статья Вадима Беднякова «О значимости неупругого взаимодействия в прямом поиске частиц темной материи» была опубликована в № 6, т. 86 журнала «Ядерная физика» за 2023 год (с. 691–726).