Детектор XENONnT сузил область поиска тёмной материи до рекордного уровня

Учёные, работающие в рамках международной коллаборации XENON, получили одни из самых чувствительных на сегодняшний день результатов в поисках тёмной материи. Исследователи использовали детектор XENONnT, содержащий несколько тонн жидкого ксенона, и провели новый анализ данных в условиях «слепого» эксперимента, чтобы исключить влияние ожиданий исследователей на результаты. Работа позволила установить беспрецедентно строгие ограничения на свойства нескольких основных кандидатов на роль тёмной материи.

Эксперимент XENONnT расположен глубоко под Доломитовыми горами в Италии, на территории Национальной лаборатории Гран-Сассо. Внутри детектора находится 5,9 тонны жидкого ксенона, который используется в качестве мишени для поиска чрезвычайно редких взаимодействий частиц тёмной материи с обычным веществом.

Тёмная материя остаётся одной из крупнейших загадок современной физики. Учёные считают, что она составляет значительную часть материи Вселенной, однако напрямую обнаружить её пока не удалось. На протяжении нескольких десятилетий основное внимание экспериментов было сосредоточено на вимпах — гипотетических тяжёлых частицах, которые должны очень редко сталкиваться с атомными ядрами.

Несмотря на многолетние поиски, убедительных свидетельств существования вимпов обнаружить не удалось. Поэтому физики всё чаще рассматривают более лёгкие и гораздо более трудно обнаруживаемые частицы, включая аксионоподобные частицы и тёмные фотоны.

Именно для поиска таких слабых сигналов XENONnT использует большой объём жидкого ксенона. Когда частица взаимодействует с атомом ксенона, детектор обычно регистрирует два типа сигнала — вспышку света и импульс освобождённых электронов.

Однако аксионоподобные частицы и тёмные фотоны могут передавать атомам настолько небольшое количество энергии, что обычная световая вспышка не возникает. В этом случае исследователям приходится искать только очень слабые импульсы энергии, возникающие при поглощении таких частиц атомными электронами.

Отсутствие светового сигнала значительно усложняет эксперимент. Детектору становится гораздо труднее отличить потенциальное взаимодействие тёмной материи от фоновых событий. Например, отдельные электроны, появляющиеся по другим причинам, могут создавать сигнал, похожий на тот, который ожидается от искомой частицы.

Чтобы решить эту проблему, коллаборация XENON разработала подробную модель фонового шума. Исследователи использовали методы машинного обучения, чтобы точнее описать ожидаемое поведение таких фоновых событий и отделить их от потенциальных сигналов тёмной материи.

Особое значение имел способ проведения анализа. Исследователи не видели реальные данные из той области измерений, где предполагалось искать сигнал, пока модель фонового шума не была полностью подготовлена. Такой подход называют «слепым» анализом.

Он необходим для уменьшения риска непреднамеренного влияния исследователей на результат. Если учёные заранее видят данные в области поиска, даже неосознанные решения при настройке модели могут привести к тому, что фон будет описан таким образом, чтобы лучше соответствовать ожидаемому результату.

После завершения построения модели исследователи открыли данные и сравнили реальные измерения XENONnT с предсказаниями фоновой модели.

Как и ожидала команда, необъяснимого сигнала, который можно было бы связать с взаимодействием тёмной материи, обнаружить не удалось. Однако отсутствие сигнала само по себе стало важным результатом, поскольку позволило существенно сузить диапазон возможных свойств гипотетических частиц.

Новый анализ установил рекордные ограничения на параметры аксионоподобных частиц и тёмных фотонов. Это означает, что целый ряд возможных вариантов того, какими могут быть эти частицы и как именно они взаимодействуют с обычной материей, теперь исключён экспериментальными данными.

Результаты XENONnT также приблизили исследователей к особенно важной границе чувствительности экспериментов по поиску тёмной материи. Речь идёт о так называемом «нейтринном тумане» — области, в которой сигналы от нейтрино, приходящих от Солнца, становятся настолько похожими на потенциальные события от тёмной материи, что различить их становится крайне сложно.

Солнечные нейтрино постоянно проходят через Землю и могут взаимодействовать с веществом детектора. По мере повышения чувствительности экспериментов эти естественные события становятся всё более существенным фоном для поиска чрезвычайно слабых взаимодействий тёмной материи.

До настоящего времени ни один эксперимент по поиску тёмной материи не смог выйти за эту границу чувствительности. Новый результат XENONnT приблизил исследователей к ней ещё сильнее и показывает, насколько далеко удалось продвинуться в обнаружении крайне слабых сигналов.

При этом отсутствие обнаружения не означает, что тёмной материи не существует. Современные наблюдения галактик, скоплений галактик и крупномасштабной структуры Вселенной по-прежнему указывают на существование невидимой формы материи, которая взаимодействует с гравитацией. Результаты XENONnT лишь сокращают количество возможных физических моделей, способных объяснить её природу.

Полученные данные также важны для подготовки следующего поколения экспериментов. Учёные планируют создать преемника XENONnT, который будет примерно в шесть раз больше нынешнего детектора. Увеличение объёма мишени позволит исследовать ещё более слабые взаимодействия, но одновременно создаст новые сложности при обработке огромного количества данных.

Для таких экспериментов потребуются более совершенные методы анализа и моделирования фоновых событий. Опыт, полученный XENONnT при использовании машинного обучения и «слепого» анализа, может стать основой для обработки данных будущих установок.

На данный момент XENONnT не обнаружил частицу тёмной материи, однако его новый результат представляет собой наиболее подробную карту областей параметров, в которых тёмную материю уже нельзя искать с помощью рассматриваемых моделей. Каждый такой экспериментальный результат сужает пространство возможных объяснений и приближает физиков к пониманию природы загадочного вещества, составляющего значительную часть Вселенной.

Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.