ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА, 2020, том 83, № 1, с. 84-92

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ И ПОЛЯ

НОВЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ NEWSdm ДЛЯ ПРЯМОГО ПОИСКА ЧАСТИЦ

ТЯЖЕЛОЙ ТЕМНОЙ МАТЕРИИ

(от имени Коллаборации NEWSdm)

Поступила в редакцию 04.09.2019 г.; после доработки 04.09.2019 г.; принята к публикации 04.09.2019 г.

NEWSdm (Nuclear Emulsions for WIMP Search — directional measurement) — новый международный

эксперимент с фотоэмульсионной мишенью для прямой регистрации частиц темной материи. Метод

регистрации основан на фиксации направлений траекторий ядер отдачи, образовавшихся в результате

упругого взаимодействия ядер мишени с частицами темной материи из галактического гало, что

отличает NEWSdm от стандартных низкофоновых экспериментов по поиску частиц темной материи,

основанных на анализе годовых модуляций количества зарегистрированных событий. Детектор,

одновременно являющийся мишенью, представляет собой блок ядерных эмульсий с уникально

высоким пространственным разрешением, достигающимся за счет уменьшения размеров зерен AgBr

до ∼10 нм, что позволяет осуществлять направленный поиск носителей темной материи в космическом

пространстве даже при энергии ядер отдачи не выше 30 кэВ.

DOI: 10.31857/S0044002720010055

1. ВВЕДЕНИЕ

из пяти стран (Италии, России, Турции, Южной

Кореи и Японии) [4], относится к первой категории

Настоящая статья ставит своей целью позна-

экспериментов. Он будет проводиться в подземной

комить русскоязычного читателя с концепцией но-

части ЛНГС, расположенной в Апеннинах на вы-

вого эксперимента NEWSdm по прямому поиску

соте около 1000 м над уровнем моря под горным

частиц темной материи (ТМ), начатого между-

массивом на средней глубине около 1400 м (3650 м

народной коллаборацией NEWS в Итальянской

водного эквивалента). Подземное расположение

национальной лаборатории Гран-Сассо (ЛНГС,

лаборатории позволяет на много порядков умень-

от итальянского LNGS — Laboratori Nazionali del

шить фон от космических лучей в экспериментах,

Gran Sasso) Национального института ядерной

требующих высокой чувствительности к редким

физики Италии (INFN, Istituto Nazionale di Fisica

событиям, таким как взаимодействия частиц ТМ с

Nucleare).

веществом. Эксперимент NEWSdm нацелен на по-

В настоящее время существует большое коли-

иск упругих взаимодействий частиц тяжелой ТМ,

чество косвенных экспериментальных указаний на

так называемых ВИМП-частиц (от английского

существование ТМ, среди которых: гравитацион-

WIMP — Weakly Interacting Massive Particles), с

ное линзирование [1], увеличение скорости рас-

частицами обычной материи. Наблюдение рассея-

ширения Вселенной [2], анизотропия космического

ния ВИМП-частиц на обычной барионной материи

микроволнового фонового излучения [3] и другие.

может стать подтверждением того, что предска-

Эксперименты по поиску ТМ можно разделить на

зываемые частицы образуют гало ТМ в области

три основные категории: регистрация взаимодей-

нашей Галактики, включающей, в том числе, Сол-

ствий частиц темной материи с барионной материей

нечную систему.

в лабораторных экспериментах (прямое обнару-

жение), регистрация конечных продуктов астро-

физической аннигиляции или распада ТМ (кос-

2. НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ

венное обнаружение) и получение частиц ТМ на

РЕГИСТРАЦИИ ЧАСТИЦ ТЕМНОЙ

ускорителях. Эксперимент NEWSdm, в котором в

МАТЕРИИ

настоящее время сотрудничают более 70 ученых

Основными параметрами сигнала при прямой

регистрации ВИМП-частиц являются плотность

¹⁾Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской ака-

демии наук, Москва, Россия.

распределения этих частиц в Галактике, их рас-

^*E-mail: s.a.gorbunov@mail.ru

пределение по скоростям в Солнечной системе и

^**E-mail: ninakonovalova@yandex.ru

сечение рассеяния на нуклонах. Считается, что

НОВЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ NEWSdm

Июнь

Поток ВИМП

V_||

Солнце

V₀ ~ 220 км/с₀₀

Созвездие Лебедя

Плоскость Галактики

60°

V_||

Декабрь

Рис. 1. Ежегодная модуляция скорости счета частиц ТМ.

ВИМП-частицы составляют сферическое гало

орбитальной скорости Земли на скорость дви-

в нашей Галактике и двигаются хаотически, с

жения Солнца относительно центра Галактики (и

максвелловским распределением по скоростям [5,

газа ВИМП-частиц) максимальна. Как следствие

6]. Благодаря движению Солнечной системы в

орбитального и суточного движения детектора

Галактике на Земле должен регистрироваться

вместе с Землей, в нем должна наблюдаться при-

направленный поток ВИМП-частиц, а годичное

мерно 7%-ная сезонная вариация потока ВИМП-

вращение Земли вокруг Солнца с относитель-

частиц [7] с максимумом, соответствующим началу

ной скоростью в Галактической системе коор-

июня. При достаточно продолжительных наблюде-

динат, которая определяется как v = 220(1.05 +

ниях эта вариация будет отражаться на скорости

+ 0.07 cos[2π(t - t_m)]) км/с (где время исчисляется

счета частиц.

в годах, а t_m соответствует приблизительно началу

Скорость счета детектора, испытывающая го-

июня), создает годичные флуктуации их потока

дичные и суточные вариации, описывается зависи-

(рис. 1). Максимальная скорость счета ВИМП-

мостью [8]

частиц ожидается при условиях, когда проекция

∑

R_WIMP ≈

N_in_WIMP〈σWIMP-nucleonv_WIMP〉,

Интегральная скорость счета, шт./кг/год

где N_i = M_detector/A_i — число ядер мишени типа

i в детекторе массы M, Ai — атомный вес яд-

M_χ

= 100 ГэВ

σ = 10^-9 пбн

ра типа i, n_WIMP — плотность потока ВИМП-

частиц, 〈σWIMP-nucleonv_WIMP〉 — сечение ВИМП-

нуклонного рассеяния, усредненное по скоростям

0.1

ВИМП-частиц относительно детектора. Прогно-

зируемая частота событий при упругом взаимо-

действии ядер с ВИМП-частицами варьируется от

10-3 до 1 соб./кг материала детектора в день, в

0.01

предположении, что масса ВИМП-частицы равна

100 ГэВ, плотность гало ВИМП-частиц составляет

0.3 ГэВ/см³, а сечение упругого взаимодействия

ВИМП-нуклон σ = 10-43 см² [9] (см. рис. 2).

0.001

100

Сообщение о регистрации ВИМП-частиц было

Пороговая энергия отдачи, кэВ

получено от коллаборации DAMA, более 20 лет

проводящей эксперименты по регистрации сигна-

лов от частиц ТМ в подземной лаборатории Гран-

Рис. 2. Скорость счета детектора при регистрации

различных ядер отдачи в упругом взаимодействии с

Сассо (см. [10]). В экспериментах DAMA/NaI и

ВИМП-частицами. Рисунок из [9].

DAMA/LIBRA измерялись количество и энергии

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 83

№1

2020

ГОРБУНОВ, КОНОВАЛОВА

2-6 кэВ

0.06

DAMA-LIBRA фаза 1, 1.04 т год

DAMA-LIBRA фаза 2, 1.13 т год

0.04

0.02

-0.02

-0.04

-0.06

4000

5000

6000

7000

8000

Время, день

Рис. 3. Зависимость частоты срабатываний детекторов в эксперименте DAMA/LIBRA от времени. Данные аппроксими-

рованы синусоидой с периодом 1 год, максимумы которой приходятся на 2 июня, а минимумы — на 2 декабря. Рисунок

из [11].

одиночных вспышек в сцинтилляционном детекто-

которых составляет один год, а максимум интен-

ре (йодид натрия NaI с добавлением таллия Tl).

сивности приходится на июль (рис. 5).

В эксперименте DAMA/LIBRA были обнаружены

Очевидно, что продукты взаимодействия этих

вероятные свидетельства годовой модуляции вза-

мюонов (электроны, пионы, протоны, нейтроны и

имодействий ВИМП-частиц с веществом детек-

γ-кванты) подвержены тем же сезонным вариа-

тора [11]. Зарегистрированное в детекторе сред-

циям, что и образовавшие их мюоны, и способны

нее количество вспышек остается постоянным во

имитировать искомые редкие события в широком

времени, за исключением области малых энергий

диапазоне энергий, в том числе в диапазоне поиска

2-6 кэВ, где наблюдаются слабые (в пределах

частиц ТМ. Поэтому годовые вариации мюонов

1-2%) годичные колебания, зафиксированные с

необходимо учитывать как существенный фактор,

достоверностью сигнала 12.9σ. Частота сраба-

который может повлиять на результат при поиске

тываний детекторов с ходом времени в области

сигналов от частиц ТМ, и сезонная модуляция

энергий 2-6 кэВ представлена на рис. 3, где по-

частиц определенной энергии является недостаточ-

казана только переменная часть сигнала, остав-

ным основанием считать их возможными носителя-

шаяся после вычета постоянного фона. Сезонные

ми ТМ.

модуляции сигналов, предположительно от частиц

Вследствие изложенного существует необходи-

ТМ, были подтверждены в эксперименте CoGeNT

мость использования еще по крайней мере одного

(Coherent Germanium Neutrino Technology) в диа-

независимого экспериментального параметра для

пазоне энергий 0.5-2 кэВ на гораздо меньшей

идентификации событий ТМ, благодаря которому

статистике [12].

полезный сигнал можно отделить от фона. В экспе-

рименте NEWSdm используется подход, согласно

Однако результат, полученный в эксперименте

которому таким параметром является направлен-

DAMA/LIBRA, несмотря на высокую достовер-

ность траекторий ядер отдачи в упругих взаимодей-

ность сигнала, остается спорным по ряду причин.

ствиях с ВИМП-частицами.

Во-первых, многие эксперименты по поиску ТМ

Если, как предполагается, ТМ находится в рав-

уже частично или полностью исключили область, в

новесии с реликтовым излучением, т.е. является

которой работает DAMA [13-15] (см. рис. 4).

“холодной”, движение Солнечной системы через

Во-вторых, на полученный результат могут

Галактику должно создавать направленный поток

влиять сезонные вариации мюонов космического

частиц ТМ в направлении движения Солнца к со-

происхождения, обусловленные сезонными коле-

звездию Лебедя. В этом случае для детектирования

баниями плотности атмосферы. Фон атмосферных

частиц ТМ может применяться ядерная эмульсия.

мюонов, хотя существенно сниженный, тем не

Направленность траекторий ядер отдачи в ядерной

менее присутствует в подземной лаборатории Гран-

эмульсии в определенном диапазоне энергий (длин

Сассо. Так, участники российско-итальянского

треков) при наличии сезонной модуляции будет яв-

эксперимента LVD в Гран-Сассо в исследованиях

ляться выраженным сигналом от частиц галакти-

с установленным под землей сцинтилляционно-

ческой ТМ за пределами когерентного нейтринного

железным телескопом большого объема осуществ-

фона.

ляли наблюдение вариаций мюонов в течение

2724 сут в период с 2001 г. по 2008 г. [17]. За

3. ДЕТЕКТОР ЭКСПЕРИМЕНТА NEWSdm

время наблюдений было зарегистрировано 2.5 ×

× 10⁶ мюонных событий. В эксперименте были

NEWSdm — это первый эксперимент с твердо-

обнаружены сезонные вариации мюонов, период

тельной мишенью для прямого поиска частиц ТМ

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 83

№1

2020

НОВЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ NEWSdm

DAMA/LIBRA эксперимент

10^-37

10^-1

10^-38

10^-2

(2012)

CoGeNT

10^-39

10^-3

(2012)

CDMS Si

10^-40

(2013)

10^-4

10^-41

DAMA

10^-5

10^-42

10^-6

10^-43

10^-7

⁷B

10^-44

10^-8

Neutrinos

⁸B

10^-45

10^-9

Neutrinos

10^-46

10^-10

10^-47

10^-11

10^-48

10^-12

10^-49

10^-13

10^-14

10^-50

10⁰

10¹

10²

10³

10⁴

Масса ВИМП, ГэВ

Рис. 4. Спин-независимые интервалы поперечного сечения взаимодействия ВИМП-нуклон в зависимости от массы

ВИМП-частиц для различных экспериментов. Рисунок из [16].

×10^-3

0.37

0.36

0.35

0.34

0.33

0.32

0.31

2001

2002

2003

2004

2005

2006

2007

2008

0.30

500

1000

1500

2000

2500

Дни измерений с 1 янв 2001

Рис. 5. Интенсивность мюонов за 8 лет работы установки LVD в подземной лаборатории Гран-Сассо. Каждый бин

соответствует одному дню, начиная с 1 января 2001 г. по 31 декабря 2008 г. Рисунок из [17].

с помощью высокочувствительных ядерных эмуль-

ление катионов Ag⁺ на поверхности кристаллов

сий с наноразмерными зернами с применением для

AgBr, и после обработки проявителем “поврежден-

их обработки сканирующих микроскопов с уни-

ные” кристаллы образуют конгломераты атомов

кально высоким пространственным разрешением.

металлического серебра, различимые под микро-

Ядерная эмульсия представляет собой суспен-

скопом в виде черных зерен. В результате воз-

зию на основе желатина с равномерно распре-

никает цепочка проявленных зерен серебра, кото-

деленными по объему светочувствительными кри-

рая воспроизводит траекторию движения частицы.

сталлами галоидного серебра AgBr, являющими-

Для прослеживания траекторий частиц в простран-

ся “сенсорами” прохождения заряженных частиц.

стве детектора ядерная эмульсия наносится тонким

Вследствие ионизации, производимой пролетаю-

слоем (∼50 мкм) на прозрачную основу, и детек-

щей заряженной частицей, происходит восстанов-

тор собирается из необходимого количества слоев

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 83

№1

2020

ГОРБУНОВ, КОНОВАЛОВА

эмульсионных пленок. Размеры детектора ограни-

Микроны

1.0

чиваются только возможностями измерительного

C N O

оборудования для обработки облученной эмульсии

(например, размерами предметного столика микро-

0.8

скопа).

Ядерные эмульсии используются в эксперимен-

0.6

тах по изучению процессов взаимодействия реля-

тивистских частиц, в том числе с очень корот-

ким временем жизни, требующих высокого про-

0.4

странственного и углового разрешения (см., напри-

мер, [18]).

0.2

В состав ядерной эмульсии входят ядра как

тяжелых (Ag, Br), так и легких элементов (C, N, O,

H) (см. табл. 1).

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Чтобы определить параметры эмульсий для

МэВ

наиболее эффективной регистрации ядер отдачи

при взаимодействии с частицами ТМ, необходимо

Рис. 6. Длина трека в ядерной эмульсии в зависимости

от переданной энергии для разных ядер, входящих в

учесть кинематику процесса. Кинематика столк-

состав эмульсии.

новений определяется массой сталкивающегося

ядра и массой ВИМП-частицы, поэтому для

предполагаемой массы ВИМП-частицы можно

а линейная плотность кристаллов — 14 и 29 мкм-1

определить значение кинетической энергии яд-

соответственно (рис. 7б).

ра после столкновения и рассчитать длину его

Среднее расстояние между кристаллами NIT

траектории в эмульсии. При этом чем тяжелее

составляет 71 нм, что позволяет этим эмульсиям

ядро отдачи и соответственно меньше длина трека,

реконструировать траектории ядер отдачи С при

тем более высокие требования предъявляются к

упругом взаимодействии с ВИМП-частицами с

чувствительности эмульсии (рис. 6). Так, частица

энергией отдачи 30 кэВ и углом рассеяния 30^◦ с

ТМ с массой >50 ГэВ с большей вероятностью

эффективностью 65% (рис. 8) [20].

будет рассеиваться на ядрах Ag и Br. В случае, если

Чтобы зафиксировать направленность траекто-

масса искомой частицы составляет от 5 до 50 ГэВ,

рий частиц ТМ, детектор должен иметь постоянную

возрастает вероятность ее столкновения с ядрами

пространственную ориентацию в направлении со-

C, N, O. Расчеты показывают, что выделение

звездия Лебедя, вдоль которого Солнечная систе-

сигнала из изотропного фона возможно, если

ма движется в Галактике. С этой целью эмульси-

эмульсионный детектор способен зафиксировать

онный детектор NEWSdm, собранный из ядерных

трек длиной 100 нм, который соответствует энергии

эмульсий NIT, будет установлен на стандартный

37 кэВ ядра отдачи из группы C, N, O [19, 20].

экваториальный телескоп (рис. 9), и, следователь-

Минимальная длина трека, которая может быть

но, ВИМП-частицы будут приходить на детектор

измерена в ядерной эмульсии, зависит от разме-

ра зерна Ag после химической проявки, а также

от возможностей сканирующей системы, которая

Таблица 1. Основные химические элементы, входящие

применяется при получении и обработке изобра-

в состав ядерной эмульсии

жений. Ядерные эмульсии, применяемые в насто-

ящее время в физике элементарных частиц, имеют

Химический

Массовая доля

Атомная доля

линейную плотность кристаллов AgBr 2.3 мкм-1 и

элемент

размер зерна около 0.2 микрона, слишком большой

0.44

0.12

для регистрации треков размером от 100 до 200 нм,

соответствующих ядрам отдачи при упругом взаи-

0.32

0.12

модействии с ТМ (рис. 7а).

0.019

0.003

В Университете Нагойи (Япония) для экспе-

0.101

0.172

римента NEWSdm была разработана технология

получения ядерных эмульсий с диаметром зерен

0.074

0.129

на порядок меньше обычных [21]. Диаметры зерен

0.027

0.057

этих сверхчувствительных ядерных эмульсий, так

называемых нанотрекеров NIT (Nano Imaging

0.016

0.396

Trackers) и ультрананотрекеров U-NIT (Ultra-

0.003

Nano Imaging Trackers), составляют 44 и 18 нм,

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 83

№1

2020

НОВЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ NEWSdm

Атом отдачи

~ несколько сотен нм

200 нм

Рис. 7. Схема формирования траекторий элементарных частиц в различных типах эмульсий: а — стандартная эмульсия

с размером кристалла AgBr ∼200 нм; б — эмульсия NIT с размером кристалла AgBr ∼40 нм.

всегда с одного направления, в то время как фоно-

параметры полученных на оптическом микроскопе

вые частицы, способные сымитировать сигнал, бу-

эллипсов хорошо воспроизводят направленность

дут распределены по углам изотропно. Это позво-

треков (рис. 11).

лит с большой достоверностью отделять искомый

Тем не менее эффективность регистрации тре-

сигнал от фона. Кроме того, направленность треков

ков остается невысокой вследствие низкой кон-

отдачи будет являться доказательством галактиче-

трастности зерен серебра, образующих трек. Для

ского происхождения инициировавших их частиц

улучшения разрешения оптической системы был

ТМ.

предложен метод поверхностного плазмонного ре-

Ядерные эмульсии в детекторе будут располо-

зонанса, позволяющий измерять показатель пре-

жены таким образом, чтобы их поверхности были

ломления изменения среды на чувствительных по-

параллельны предполагаемому направлению дви-

верхностях [24]. Резонансное рассеяние поляри-

жения частиц ТМ. Детектор будет окружен за-

зованного света на наноразмерных металлических

щитным экраном, препятствующим влиянию ра-

структурах в диэлектрической среде отражает ани-

диоактивности окружающей среды. Область по-

иска сигналов в NEWSdm будет соответствовать

Зарегистрированные треки

энергетической области эксперимента DAMA.

1.0

4. СИСТЕМА СЧИТЫВАНИЯ ДАННЫХ

0.9

Система считывания данных в NIT должна с

0.8

достаточной скоростью распознавать очень корот-

кие треки и с высокой точностью определять их

0.7

направление в режиме высокоскоростного автома-

тического сканирования в течение времени, срав-

0.6

нимом с экспозицией детектора.

Для повышения интенсивности и контрастно-

0.5

сти изображения треков отдачи применяется метод

0.4

эллиптической подгонки [22]. После применения

фильтров подавления “размытости” трека и ко-

0.3

нечной импульсной характеристики изображение

оцифровывается и определяется его эллиптичность

0.2

(рис. 10).

Эффективность выделения треков методом эл-

0.1

липтической подгонки была протестирована в ка-

либровочных экспериментах по облучению ядер-

100

ных эмульсий с размером зерна 40 нм ионами Kr

Энергия, кэВ

с энергиями 400 кэВ. Результаты обработки треков

на сканирующем оптическом микроскопе сравни-

Рис. 8. Ожидаемая эффективность обнаружениятрека

вались с результатами их обработки на рентгенов-

ядра углерода размером в 2 кристалла NIT. Рисунок

из [20].

ском микроскопе [23]. Это сравнение показало, что

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 83

№1

2020

ГОРБУНОВ, КОНОВАЛОВА

Созвездие Лебедя

Северный полюс

ЛНГС

Рис. 9. Схема установки детектора NEWSdm.

Исходное изображение Бинаризованное

Выделение контура Фитирование эллипса

Большая

Малая

1.7 мкм

Эллиптичность

Рис. 10. Обработка изображения трека методом эллиптической подгонки.

Оптические изображения

Ренгеновские изображения

фон

трек

трек (3 зерна)

случайный фон

218 нм

318 нм

602 нм

Рис. 11. Сравнение результатов обработки треков низкоэнергичных ионов в NIT с размером зерна 40 нм, полученных на

оптическом (вверху) и рентгеновском (внизу) микроскопах: а — изображение одного проявленного зерна; б, в — треки

разной длины из двух зерен; г — трек из трех зерен. Рисунок из [23].

зотропию формы этих структур: на несферическом

Оснащение оптического микроскопа жидкокри-

кластере резонансный отклик зависит от поляриза-

сталлическим поляризатором, источником поля-

ции падающего света (рис. 12).

ризованного света в голубом диапазоне с длиной

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 83

№1

2020

НОВЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ NEWSdm

Направление

поляризации

Направление поляризации

падающего света

Рис. 12. Эффект плазмонного резонанса на поверхности зерен серебра при их освещении поляризованным светом.

волны менее 500 нм, позволяет выделять треки, об-

объектива микроскопа со световым поляризато-

разованные зернами металлического серебра раз-

ром, и обеспечивает высокое пространственное и

мером менее 40 нм [25]. Результатом совмещения

пиксельное разрешение, а также контрастность и

мощной цифровой апертуры объектива микроско-

яркость изображения, необходимые для надежной

па со световым поляризатором является высокое

регистрации наноразмерных треков, образованных

пространственное и пиксельное разрешение, а так-

зернами металлического серебра в ядерной эмуль-

же высокая контрастность и яркость изображения,

сии.

необходимые для надежной регистрации нанораз-

Первый успешный технологический запуск

мерных треков, образованных зернами металличе-

установки с эмульсионным детектором массой

ского серебра в ядерной эмульсии.

∼10 г был проведен в марте 2017 г. в подземной

части Национальной лаборатории Гран-Сассо и

позволил осуществить оценку фона в ядерной

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

эмульсии в сравнении с результатами моделиро-

вания [26].

Представлена концепция нового эксперимента

NEWSdm по регистрации упругих взаимодействий

частиц тяжелой темной материи (ВИМП) с ядрами

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

барионной материи. Твердотельный трековый де-

1. R. Massey, T. Kitching, and J. Richard, Rep. Prog.

тектор на основе ядерной эмульсии, одновременно

Phys. 73, 086901 (2010).

являющийся мишенью и имеющий фиксированную

2. Z. Rezaei, arXiv:

1906.08648, accepted for

пространственную ориентацию относительно га-

publication in Can. J. Phys. (2019).

лактического гало темной материи, будет установ-

3. D. Maity and P. Saha, Phys. Rev. D 98, 103525

лен в подземной лаборатории Гран-Сассо в усло-

(2018).

виях низкого фона космического и радиационно-

4. A. Aleksandrov, A. Anokhina, T. Asada, D. Bender,

го излучения. В результате эксперимента предпо-

I. Bodnarchuk, A. Buonaura, S. Buontempo,

лагается зафиксировать направленные траектории

M. Chernyavskii, A. Chukanov, L. Consiglio,

N. D’Ambrosio, G. De Lellis, M. De Serio,

ядер отдачи в результате упругого взаимодействия

A. Di Crescenzo, N. Di Marco, S. Dmitrievski,

с частицами темной материи с анализом годовых

et al., LNGS-LOI 48/15, arxiv.org/abs/1604.04199

модуляций количества зарегистрированных собы-

5. M. W. Goodman and E. Witten, Phys. Rev. D 31, 3059

тий. Порядок длин ожидаемых треков ядер от-

(1985).

дачи в ядерной эмульсии составит несколько де-

6. Particle Dark Matter, Ed. by G. Bertone

сятков нанометров. Для достижения необходимой

(Cambridge Univ. Press, 2010), p. 488.

чувствительности эксперимента созданы ядерные

7. L. Baudis, Ann. Phys. (Berlin) 528, 74 (2016).

эмульсии с наноразмерными кристаллами броми-

8. В. А. Рябов, В. А. Царев, А. М. Цховребов, УФН

да серебра с уникально высоким пространствен-

178, 1129 (2008) [Phys. Usp. 51, 1091 (2008)].

ным разрешением, требующие специальных мето-

9. H. Ara ´ujo, WIMP Searches with Liquid Xenon:

дов анализа, включающих распознавание формы

ZEPLIN, LUX and LZ, HEP Seminar, Oxford

ультракороткого трека и повышение контрастности

University, 2013.

изображения. Построенная система считывания

10. R. Bernabei, Int. J. Mod. Phys. A 31, 1642001 (2016).

данных демонстрирует принципиально новый под-

11. R. Bernabei, P. Belli, A. Bussolotti, F. Cappella,

ход к обработке эксперимента в нанометрическом

V. Caracciolo, R. Cerulli, C. J. Dai, A. d’Angelo, A. Di

диапазоне, совмещая мощную цифровую апертуру

Marco, H. L. He, A. Incicchitti, X. H. Ma, A. Mattei,

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 83

№1

2020

ГОРБУНОВ, КОНОВАЛОВА

V. Merlo, F. Montecchia, X. D. Sheng, and Z. P. Ye,

19. T. Katsuragawa, T. Naka, T. Asada, M. Yoshimoto,

Nucl. Phys. At. Energy 19, 307 (2018).

K. Hakamata, and M. Ishikawa, J. Phys.: Conf. Ser.

12.

C. E. Aalseth et al. (CoGeNT Collab.), Phys. Rev.

469, 012004 (2013).

Lett. 106, 131301 (2011).

20. T. Asada (on behalf of the NEWSdm Collab.), EPJ

13.

D. S. Akerib et al. (LUX Collab.), Phys. Rev. Lett.

Web Conf. 182, 02006 (2018).

118, 021303 (2017).

14.

A. Tan et al. (PandaX-II Collab.), Phys. Rev. Lett.

21. T. Asada, T. Naka, K. I. Kuwabara, and M. Yoshimoto,

117, 121303 (2016).

Prog. Theor. Exp. Phys. 2017, 063H01 (2017).

15.

E. Aprile et al. (XENON Collab.), Phys. Rev. Lett.

22. M. Kimura and T. Naka, Nucl. Instrum. Methods A

119, 181301 (2017).

680, 12 (2012).

16.

J. Va’vra, Phys. Lett. B 735, 181 (2014).

17.

Н. Ю. Агафонова, В. В. Бояркин, В. Л. Дады-

23. T. Naka, T. Asada, T. Yoshimoto, T. Katsuragawa,

кин, Е. А. Добрынина, Р. И. Еникеев, Г. Т. За-

Y. Suzuki, Y. Terada, A. Takeuchi, K. Uesugi,

цепин, А. С. Мальгин, О. Г. Ряжская, В. Г. Ряс-

Y. Tawara, A. Umemoto, and M. Kimura, Rev. Sci.

ный, И. Р. Шакирьянова, В. Ф. Якушев (от LVD-

Instrum. 86, 073701 (2015).

Коллаб.), Изв. РАН. Сер. физ. 75, 456 (2011) [Bull.

24. S. Zeng, D. Baillargeat, H.-P. Ho, and K.-T. Yong,

Russ. Acad. Sci. Phys. 75, 427 (2011)].

Chem. Soc. Rev. 43, 3426 (2014).

18.

T. Nakamura, A. Ariga, T. Ban, Takako Fukuda,

Tutomu Fukuda, T. Fujioka, T. Furukawa,

25. H. Tamaru, H. Kuwata, H. T. Miyazaki, and

K. Hamada, H. Hayashi, S. Hiramatsu, K. Hoshino,

K. Miyano, Appl. Phys. Lett. 80, 1826 (2002).

J. Kawada, N. Koike, M. Komatsu, H. Matsuoka,

26. N. Agafonova et al. (NEWSdm Collab.), Eur. Phys.

S. Miyamoto, et al., Nucl. Instrum. Methods A 556,

J. C 78, 578 (2018).

80 (2006).

A NEW EXPERIMENT NEWSdm

FOR THE DIRECT SEARCH FOR HEAVY DARK MATTER PARTICLES

S. A. Gorbunov¹⁾, N. S. Konovalova¹⁾

(on behalf of NEWSdm collaboration)

¹⁾ P.N. Lebedev Physical Institute of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia

NEWSdm (Nuclear Emulsion for WIMP Search — directional measurement) is a new international

experiment with a photoemulsion target for direct registration of dark matter particles. The registration

method is based on fixing the directions of trajectories of recoil nuclei formed in elastic interactions of target

nuclei with dark matter particles from the galactic halo, which distinguishes the NEWSdm from common

low-background dark matter particle search experiments based on the analysis of annual modulations of

the number of recorded events. Detector that is also a target is a block of nuclear emulsions with a uniquely

high spatial resolution, achieved by reducing the size of AgBr grains up to ∼10 nm, which allows for a

directed search for dark matter carriers in space, even with the energy of the recoil nuclei not exceeding

30 keV.

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 83

№1

2020