Когерентность в рассеянии массивных слабовзаимодействущих нейтральных частиц на ядрах

Аннотация

В работе изложен новый подход к описанию нерелятивистского слабого взаимо-
действия массивной нейтральной частицы (лептона) и ядра, при котором последнее
сохраняет свою целостность. Сечение такого процесса представлено в виде суммы
упругого (или когерентного) вклада, когда ядро остается в первоначальном состоя-
нии и неупругого (некогерентого) вклада, когда ядро оказывается в возбужденном
состоянии. Плавный переход от упругого рассеяния к неупругому рассеянию ре-
гулируется зависимостью ядерных нуклонных формфакторов от переданного ядру
импульса. Интенсивность слабого взаимодействия задается параметрами, опреде-
ляющими вклады в амплитуду вероятности скалярных произведений лептонного и
нуклонного токов.
Полученные выражения представляют интерес, как минимум, в задаче прямого
детектирования нейтральных массивных слабовзаимодействующих частиц темной
материи, поскольку в отличие от общепринятого случая одновременно учитывают
упругие и неупругие процессы. Показано, что наличие неупругого вклада, сопро-
вождающегося испусканием характерного излучения от снятия возбуждения ядра
(фотонов), оказывается решающим, когда когерентное сечение сильно подавлено
или его нельзя зарегистрировать. Первое имеет место в силу близости к нулю соот-
ветствующей константы взаимодействия или если переданный ядру импульс слиш-
ком велик и условие когерентности не выполняется. Когда доступная измерению
энергия отдачи ядра оказывается ниже порога регистрации, то когерентное сече-
ние вообще нельзя увидеть. В такой ситуации ”неупругие” фотоны представляют
собой единственный регистрируемый сигнал взаимодействия частиц темной мате-
рии с веществом.
Таким образом, для извлечения максимальной информации о частицах темной
материи следует планировать эксперименты по прямому их детектированию в та-
кой постановке, когда возможна регистрация двух сигналов — энергии отдачи ядра
и гамма-квантов от снятия ядерного возбуждения.