ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА, 2023, том 86, № 6, с. 752-756
ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ И ПОЛЯ
ПОСЛЕДНИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА ПО ПОИСКУ ТЕМНЫХ
ФОТОНОВ С ПОМОЩЬЮ МУЛЬТИКАТОДНОГО СЧЕТЧИКА
© 2023 г. А. В. Копылов1)*, И. В. Орехов1), В. В. Петухов1)
Поступила в редакцию 21.06.2023 г.; после доработки 21.06.2023 г.; принята к публикации 22.06.2023 г.
Описана методика измерений, проведенных на мультикатодном счетчике с катодом, изготовленным
из железа. Эксперимент проводился с целью поиска суточных вариаций скорости счета одиночных
электронов, эмитируемых с поверхности катода при конверсии темных фотонов на его поверхности.
Приведены результаты, полученные за 160 сут измерений.
DOI: 10.31857/S0044002723060144, EDN: OSFKFQ
1. ВВЕДЕНИЕ
составляет 24 ч, а в звездной — 23 ч 56 мин, это
отличие можно будет использовать как аргумент в
Согласно современным представлениям, темная
защиту того, что наблюдаемые вариации действи-
материя составляет примерно 84% массы Вселен-
тельно своим источником имеют темные фотоны
ной [1]. Нам известно, что темная материя суще-
[9, 10].
ствует, но какова ее природа, это пока для нас
загадка. Разгадать ее — это наиважнейшая задача
современной физики. Работы по этому направ-
2. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА
лению ведутся многими лабораториями, но пока
Использовался цилиндрический детектор в ка-
получены только ограничения на параметры моде-
честве пропорционального счетчика с катодом из
лей. Одними из возможных кандидатов на темную
железа. Счетчик заполнялся смесью Ne + CH4
материю являются скрытые фотоны [2-6]. Нами
(10%) при давлении 0.1 MPa. Детектор распола-
была разработана методика поиска темных фото-
гался на первом этаже здания, расположенного в
нов с использованием мультикатодного счетчика
г. Троицк (г. Москва) на широте 55.46◦N в бок-
[7, 8]. Данная методика позволяет также выделить
се с защитой из стали примерно 300 мм толщи-
направление вектора поляризации темного фотона
ной и слоем борированного полиэтилена 100 мм.
по суточным вариациям скорости счета одиноч-
Сталь защищала детектор от окружающего гамма-
ных электронов, если векторы электрического или
излучения, борированный полиэтилен — от теп-
магнитного поля темных фотонов имеют опреде-
ловых нейтронов [7, 8]. Детектор располагался в
ленную выстроенность в звездной или солнечной
горизонтальном положении, ось детектора была
системе. Существенным моментом является то, что
направлена под углом 23◦ к направлению Север-
вследствие вращения Земли суточные вариации
Юг. На рис. 1 изображены ожидаемые суточные
должны быть симметричны относительно момента,
вариации скорости счета, если эффект пропорци-
когда вектор электрического или магнитного поля
лежит в плоскости меридиана, где расположена
онален cos2 θ, здесь θ — угол между вектором
лаборатория. Конкретный вид кривой суточных
электрического поля темных фотонов и нормалью
вариаций зависит от модели, которая заложена в
к поверхности счетчика. Такой вид угловой за-
висимости был принят как наиболее вероятный,
основу этого явления, но сам факт симметрии дол-
жен наблюдаться даже в случае, если конкретный
когда электрическое поле направлено перпенди-
кулярно поверхности катода. Поскольку строгой
вид угловой зависимости отличается от использу-
емого в конкретной модели. Учитывая тот факт,
теории скрытых фотонов пока не существует, нель-
что строгой теории темного фотона пока еще не
зя исключить, что реальный вид угловой зависи-
мости может быть другим. Если в эксперименте
существует, мы должны быть готовы к тому, что ре-
альный вид вариационной кривой может оказаться
будет обнаружен эффект от темных фотонов, этот
для нас неожиданным. Можно рассчитывать, что,
вопрос может быть подробно исследован. Ожи-
даемые кривые суточных вариаций зависят также
поскольку длительность суток в солнечной системе
от положения детектора (вертикальный, горизон-
1)Институт ядерных исследований РАН, Москва, Россия.
тальный, ориентированный с Севера на Юг или с
*E-mail: kopylov@inr.ru
Запада на Восток), географической широты места,
752
ПОСЛЕДНИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
753
2
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
10
24
20
30
16
50
12
8
70
4
90
Рис. 1. Суточные вариации вследствие вращения Земли. Здесь α2 = cos2 θ, κ — угол между вектором электрического
поля и осью вращения Земли. Счетчик расположен горизонтально под углом 23◦ по отношению к оси Север-Юг.
2
0.5
30°
0.4
0.3
0.2
90°
0.1
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
Часы
Рис. 2. Суточные вариации при κ = 30 и 90 градусов.
где расположен детектор, и качества внутренней
ли: 30◦ и 90◦. Здесь за время 00 : 00 принимается
поверхности катода (зеркальная или матовая) [11-
момент, когда вектор электрического поля темных
фотонов лежит в плоскости меридиана г. Москва,
13]. На рис. 2 изображены “срезы” этого распре-
где проводится эксперимент.
деления при двух углах между вектором электриче-
ского поля темного фотона и осью вращения Зем-
Измерения проводились круглосуточно, за 1 сут
ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 86
№6
2023
754
КОПЫЛОВ и др.
Гц
0.300
0.298
0.296
0.294
0.292
0.2916
0.290
0.288
0.286
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
Часы, звездное время
Рис.
3. Суточные вариации для звездных суток.
Гц
0.300
0.298
0.296
0.294
0.292
0.2916
0.290
0.288
0.286
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
Часы, земное время
Рис. 4. Суточные вариации для земных суток.
получали примерно 1 Тб данных. Оцифровывалось
рений. Измерения прерывались для калибровки и
с дискретностью 100 нс мгновенное значение по-
для контрольного счета в конфигурации 2, когда
даваемого на вход АЦП сигнала с выхода зарядо-
измерялся только фон счетчика. Затем получен-
чувствительного предусилителя. Обработка про-
ные скорости счета группировались в интервалы
водилась в режиме офлайн. Отбирались события с
длительностью 2 ч в солнечных и звездных сут-
амплитудой импульса в диапазоне от 3 до 50 мВ в
ках. Далее строились соответствующие временные
качестве кандидатов на одноэлектронные импуль-
распределения. На рис. 3 изображено полученное
сы. Сравнивалась форма импульса со стандартной.
временное распределение для звездных суток и на
Импульсы с искаженной формой отбрасывались.
рис. 4 — для земных суток.
Всего было получено данных за 160 сут изме-
Из рис. 3 видно, что в интервале с 8 до 12 ч
ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 86
№6
2023
ПОСЛЕДНИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
755
Гц
0.33
0.32
0.3130
0.31
0.30
0.29
0.2894
0.28
0.2748
0.27
0.26
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
Часы, звездное время
Рис. 5. Суточные вариации по массиву данных за 160 сут измерений для трех последовательных временных серий
звездных суток (1645 точек по 2-часовому интервалу измерения каждая).
Гц
0.33
0.32
0.3130
0.31
0.30
0.29
0.2894
0.28
0.2748
0.27
0.26
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
Часы, земное время
Рис. 6. Суточные вариации по массиву данных за 160 сут измерений для трех последовательныхвременных серий земных
суток (1645 точек по 2-часовому интервалу измерения каждая).
звездного времени наблюдается значительное пре-
звездных суток, на рис. 6 — для земных суток.
вышение над средним. На рис. 4 подобного пре-
Как видно из рис. 5, наблюдается систематическое
вышения не наблюдается. Для более детального
превышение событий в интервале с 8 : 00 до 12 : 00
рассмотрения этого эффекта нами были построе-
звездного времени во всех трех сериях измерений.
ны суточные вариации для каждой из трех более
По оценке достоверность этого результата — на
коротких серий. Первая и вторая были построены
уровне 3.5σ. Для земных суток подобного не на-
по 548 точкам, третья — по 549 точкам. На рис. 5
изображены соответствующие распределения для блюдается, как это видно из рис. 6.
ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 86
№6
2023
756
КОПЫЛОВ и др.
3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Barreiro, N. Bartolo, S. Basak, R. Battye, K. Benabed,
J.-P. Berenard, M. Bersanelli, P. BieleWicz, J. J.
Измерены скорости счета одноэлектронных им-
Bock, et al., Astron. Astrophys. 641, 67 (2020);
пульсов с помощью мультикатодного счетчика.
arXiv: 1807.06209.
По результатам, полученным за 160 сут измере-
2. P. Fayet, Nucl. Phys. B 187, 184 (1981).
ний (1645 точек), построены суточные вариации в
3. L. B. Okun, Sov. Phys. JETP 56, 502 (1982).
звездных и земных сутках с разбивкой по двухча-
4. H. Georgi, P. H. Ginsparg, and S. L. Glashow, Nature
совому интервалу. Построены временные распре-
306, 765 (1983).
деления для вариаций для трех примерно равных
5. V. Dzhunushaliev and V. Folomeev, Phys. Rev. D 104,
серий измерений. В распределении для звездных
116027 (2021).
суток систематически наблюдается существенное
6. V. Dzhunushaliev and V. Folomeev, Phys. Rev. D 105,
превышение над средним в интервале от 8 : 00 до
016022 (2022).
12 : 00 звездного времени. По оценке достовер-
7. A. Kopylov, I. Orekhov, and V. Petukhov, Nucl.
ность наблюдаемого эффекта — на уровне 3.5σ.
Instrum. Methods A 910, 164 (2018).
Для земных суток подобного эффекта не наблюда-
8. A. Kopylov, I. Orekhov, and V. Petukhov, JCAP 07,
ется. Планируется продолжить измерения с целью
008 (2019).
увеличения достоверности наблюдаемого эффекта.
9. A. Kopylov, I. Orekhov, and V. Petukhov, Phys. Part.
Авторы выражают благодарность Министер-
Nucl. 52, 31 (2021).
ству науки и высшего образования за существен-
10. A. Kopylov, I. Orekhov, and V. Petukhov, Particles 5,
ную поддержку в рамках “Программы обновле-
180 (2022).
ния приборной базы” по государственному проекту
11. A. Kopylov, I. Orekhov, and V. Petukhov, Phys. At.
“Наука”.
Nucl. 84, 860 (2021).
12. A. V. Kopylov, I. V. Orekhov, and V. V. Petukhov, Phys.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
At. Nucl. 85, 673 (2022).
13. A. Kopylov, I. Orekhov, and V. Petukhov, Moscow
1. N. Aghanim, Y. Akrami, M. Ashdown, J. Aumont,
C. Baccigalupi, M. Ballardini, A. J. Banday, R. B.
Univ. Phys. Bull. 77, 315 (2022).
LATEST RESULTS ON THE SEARCH OF DARK PHOTONS
WITH A MULTI-CATHODE COUNTER
A. V. Kopylov1), I. V. Orekhov1), V. V. Petukhov1)
1)Institute for Nuclear Research of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia
The method of measurements is described that has been performed using a multi-cathode counter with
an iron cathode. The aim of experiment was to search for diurnal variations of the count rate of single
electrons emitted from the surface of the cathode by the conversion of dark photons on its surface. The
results obtained during 160 days of measurements are presented.
ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 86
№6
2023
