Международный эксперимент LUX-ZEPLIN (LZ), предназначенный для прямого поиска тёмной материи, зарегистрировал событие, которое исследователи пока не могут убедительно объяснить известными фоновыми процессами. Оно произошло в диапазоне энергий, где учёные ожидают увидеть возможные сигналы взаимодействия частиц тёмной материи.
Результат ещё не позволяет заявить об открытии. Статистическая значимость события составляет 2,6σ, тогда как в физике элементарных частиц для официального объявления открытия обычно требуется уровень 5σ. Тем не менее исследователи считают зарегистрированный сигнал наиболее интересным намёком на возможное обнаружение тёмной материи за всю историю эксперимента LZ.
Тёмная материя остаётся одной из главных загадок современной физики. По современным космологическим оценкам, на неё приходится около 85% всей материи во Вселенной, однако непосредственно зарегистрировать частицы тёмной материи до сих пор не удалось.
Эксперимент LZ объединяет около 250 учёных и инженеров из 39 научных учреждений. Детектор находится на глубине около 1,6 километра в подземном научном комплексе Sanford Underground Research Facility в Южной Дакоте. Такая глубина необходима, чтобы максимально защитить установку от космического излучения и других частиц, способных имитировать искомый сигнал.
Основной рабочий объём детектора содержит около 10 тонн сверхчистого жидкого ксенона. Эксперимент в первую очередь рассчитан на поиск гипотетических вимпов — слабо взаимодействующих массивных частиц, одного из наиболее изучаемых кандидатов на роль частиц тёмной материи.
Необычное событие
Новый результат основан на анализе 220 суток работы детектора в период с марта 2023 года по апрель 2024 года. Ранее эти данные уже использовались для поиска наиболее простого варианта взаимодействия вимпов с атомами ксенона.
На этот раз исследователи расширили область поиска и изучили возможные взаимодействия, при которых частица тёмной материи передаёт атому ксенона больше энергии. Именно в этой ранее практически не исследованной области данных и было обнаружено необычное событие.
«Нас очень заинтересовало это событие: оно находится в области, где мы ожидаем возможный сигнал тёмной материи, а уровень конкурирующих фоновых процессов очень низок», — рассказал Рик Гайтскелл, профессор Университета Брауна и представитель эксперимента LZ.
При этом учёный подчеркнул, что одного события недостаточно для вывода об обнаружении тёмной материи. Исследователи пока лишь сообщают о необычном сигнале и хотят получить независимые оценки научного сообщества.
Принцип работы детектора основан на регистрации слабых вспышек света и электронов, возникающих при передаче энергии атому ксенона. Когда предполагаемая частица тёмной материи сталкивается с атомом, тот возбуждается и испускает свет. Одновременно высвобождаются электроны.
Электрическое поле перемещает электроны к верхней части камеры, где они создают вторую вспышку света. Фотоумножители, расположенные над и под рабочей областью, регистрируют эти сигналы, позволяя определить характеристики произошедшего взаимодействия.
Почему учёные заинтересовались одним событием
Для большинства физических экспериментов единичное событие само по себе не имеет большого значения. В поисках тёмной материи ситуация несколько иная: если такие частицы действительно существуют и взаимодействуют с обычным веществом чрезвычайно слабо, зарегистрированные события должны быть очень редкими.
Поэтому исследователи LZ уделяют особое внимание необычным событиям, которые сохраняют все признаки настоящего взаимодействия и при этом плохо объясняются известными источниками фонового сигнала.
«Мы настолько хорошо понимаем работу нашего детектора и фоновые процессы, что даже одно выделяющееся событие имеет значение», — отметил Сэм Эриксен, ведущий автор исследования и научный сотрудник Бристольского университета.
Если зарегистрированный сигнал действительно вызван взаимодействием с тёмной материей, предполагаемая частица имела бы массу не менее 200 ГэВ/c² — то есть более чем в 200 раз превышающую массу протона.
Кроме того, характер события указывает на возможный вариант взаимодействия вимпа с обычным веществом, который отличается от наиболее простого сценария, на который традиционно ориентируются подобные эксперименты.
Однако вероятность статистической случайности пока слишком велика, чтобы считать результат открытием. Значимость 2,6σ означает, что при используемой модели фоновых процессов вероятность получить подобный результат без участия нового физического явления оценивается примерно в 0,5%.
Для сравнения, уровень 5σ соответствует гораздо более строгому критерию, принятому физиками элементарных частиц для заявления об открытии.
Решение принесут новые данные
Главный вопрос теперь заключается в том, появятся ли в последующих данных дополнительные события с аналогичными характеристиками.
Если их количество будет расти по мере накопления статистики, статистическая значимость сигнала увеличится, и гипотеза о его связи с тёмной материей станет гораздо убедительнее. Если же новые данные не подтвердят первоначальный результат, необычное событие, скорее всего, окажется редким фоновым процессом.
LZ уже располагает крупнейшим в мире массивом данных для поиска тёмной материи и продолжает работу детектора под землёй. Дополнительные наблюдения позволят существенно увеличить статистику и проверить полученный результат.
Защита от фоновых событий является одной из ключевых задач эксперимента. Помимо почти полутора километров горных пород, экранирующих установку от космических лучей, детектор окружён резервуаром с водой и дополнительными системами регистрации частиц. Они помогают выявлять нейтроны и другие фоновые частицы, способные создать ложный сигнал.
Исследователи также используют сложные методы анализа данных, позволяющие различать взаимодействия обычных частиц и потенциальные события, связанные с тёмной материей.
«Выделяющиеся события в данных сами по себе не являются чем-то неожиданным, но обычно при более подробном изучении оказывается, что у них есть какое-то фоновое объяснение», — отметил физик Берклиевской национальной лаборатории Аарон Маналейсаи, председатель институционального совета LZ.
По его словам, нынешнее событие стало первым в его исследовательской практике случаем, когда необычный сигнал выглядит убедительно с точки зрения всех основных характеристик.
Учёные пока продолжают искать возможное редкое фоновое объяснение. Поэтому говорить об обнаружении тёмной материи ещё рано. Но если новые наблюдения LZ выявят дополнительные события того же типа, нынешний результат может стать первым шагом к одному из самых важных открытий современной физики.