Возможно, появился первый кандидат на прямое обнаружение тёмной материи

Исследователи подчёркивают: это ещё не открытие тёмной материи. Статистическая значимость сигнала составляет 2,6 сигмы — значительно меньше порога в 5 сигм, который обычно требуется физикам для официального объявления открытия. Однако событие настолько хорошо вписывается в некоторые модели взаимодействия гипотетических частиц тёмной материи с обычным веществом, что уже стало самым интригующим результатом LUX-ZEPLIN за всё время эксперимента.

Загадочное событие глубоко под землёй

Эксперимент LUX-ZEPLIN, или LZ, находится почти в полутора километрах под землёй на территории исследовательского комплекса Sanford Underground Research Facility в Южной Дакоте. Такое расположение необходимо, чтобы максимально защитить установку от космических лучей и других частиц, способных имитировать искомый сигнал.

В центре детектора находится около 10 тонн сверхчистого жидкого ксенона. Учёные рассчитывают, что если частица тёмной материи действительно существует и иногда сталкивается с обычным веществом, такое столкновение вызовет очень слабую вспышку света внутри ксенона. Именно её и пытается зарегистрировать LZ.

Новый кандидат получил название LZ.230616 — по дате события, 16 июня 2023 года.

Исследователи обнаружили его при повторном анализе данных, собранных в период с марта 2023 года по апрель 2024-го. Всего в анализ вошло 220 дней наблюдений. В отличие от предыдущих поисков, на этот раз команда расширила диапазон энергий, в котором искала возможные взаимодействия тёмной материи.

Именно это расширение позволило заметить необычный сигнал.

Почему событие оказалось настолько необычным

При столкновении частицы с ядром ксенона ядро получает энергию и немного отскакивает. Такой ядерный отдачный импульс и является одним из ключевых признаков, по которым LZ пытается отличить возможную тёмную материю от обычного фонового излучения.

В случае LZ.230616 энергия отдачи оказалась необычно высокой — около 248 килоэлектронвольт. Это значительно выше диапазона, на котором традиционно сосредоточены поиски наиболее простых вариантов WIMP — гипотетических слабовзаимодействующих массивных частиц, одного из главных кандидатов на роль тёмной материи.

После нескольких месяцев анализа исследователи не нашли известного фонового процесса, который убедительно объяснял бы наблюдаемое событие. При этом команда специально изучала возможные источники ложных сигналов и особенности самого детектора.

Именно здесь начинается самое интересное.

Если событие действительно было вызвано тёмной материей, оно может указывать на частицу с массой не менее 200 ГэВ/c² — более чем в 200 раз тяжелее протона. Кроме того, характер взаимодействия оказался бы сложнее того простого варианта WIMP-модели, на котором традиционно сосредоточены поиски.

Почему учёные не называют это открытием

На первый взгляд может показаться, что если исследователи не нашли обычного объяснения, то остаётся тёмная материя. Но в экспериментальной физике этого недостаточно.

Главная проблема заключается в том, что обнаружен всего один такой сигнал.

Статистическая значимость события после анализа составляет 2,6 сигмы. Для сравнения, общепринятый порог открытия в физике элементарных частиц — 5 сигм.

Это принципиально разные уровни уверенности.

Результат в 2,6 сигмы означает, что событие достаточно необычно, чтобы заслуживать серьёзного внимания, но всё ещё может оказаться редкой статистической флуктуацией или пока неучтённым фоновым процессом. По оценке LZ, вероятность получить подобное событие из известных фоновых процессов составляет порядка 0,5%.

При этом важно не интерпретировать эти 0,5% как «вероятность того, что это тёмная материя, равна 99,5%». Это было бы неправильно. Статистическая значимость характеризует необычность результата относительно принятой модели фона, а не напрямую вероятность истинности гипотезы о тёмной материи.

Поэтому сами исследователи намеренно избегают слова «открытие».

Пока мы не утверждаем, что обнаружили тёмную материю.

Именно такой осторожный подход сейчас является наиболее корректным.

Что такое тёмная материя и почему её так сложно найти

Парадокс тёмной материи заключается в том, что учёные практически уверены в её существовании, но до сих пор не знают, из чего она состоит.

Мы не видим её непосредственно. Тёмная материя не излучает и не отражает свет так, как обычное вещество. Однако её гравитационное воздействие проявляется в движении галактик, скоплений галактик и в искривлении света.

По современным оценкам, на тёмную материю приходится примерно 85% всей материи во Вселенной. То есть большая часть вещества, влияющего на формирование галактик и крупномасштабную структуру Вселенной, остаётся для нас физически неуловимой.

Именно поэтому физики пытаются обнаружить её сразу несколькими способами.

Одни эксперименты ищут частицы тёмной материи непосредственно. Другие пытаются обнаружить продукты их взаимодействий с обычным веществом. Третьи ищут следы тёмной материи в космосе или пытаются создать подходящие частицы на ускорителях.

LUX-ZEPLIN относится к первой категории.

Как работает LUX-ZEPLIN

Идея эксперимента довольно проста, хотя сама установка чрезвычайно сложна.

Учёные заполняют детектор жидким ксеноном и ждут крайне редких столкновений.

Если частица тёмной материи пролетает через установку и сталкивается с ядром ксенона, происходит отдача ядра. Эта отдача возбуждает атомы и выбивает электроны. В результате возникают очень слабые световые сигналы, которые регистрируют чувствительные фотодетекторы.

Проблема в том, что подобные сигналы могут создавать не только частицы тёмной материи.

Радиоактивный распад, нейтроны, космические лучи и различные эффекты самого оборудования способны имитировать искомый результат. Поэтому LZ расположен глубоко под землёй, окружён дополнительными системами защиты и использует несколько независимых способов отсева фоновых событий.

Именно поэтому одиночное событие, которое проходит через все эти проверки и при этом остаётся необъяснённым, представляет такой интерес.

Что будет, если это действительно тёмная материя

Если будущие данные покажут новые события с похожими характеристиками, ситуация резко изменится.

Несколько независимых сигналов позволят повысить статистическую значимость результата. Если она достигнет уровня, необходимого для открытия, физики впервые смогут перейти от косвенных свидетельств существования тёмной материи к изучению её частиц непосредственно в лаборатории.

Это будет одно из крупнейших открытий современной физики.

Учёные смогут оценивать массу частиц тёмной материи, изучать характер их взаимодействия с обычным веществом и проверять существующие теоретические модели.

Причём нынешний сигнал особенно интересен тем, что он не очень хорошо соответствует простейшим моделям WIMP. Если подобные события будут повторяться, это может означать, что физика тёмной материи устроена сложнее, чем предполагалось.

По словам исследователей, более энергетичные события потенциально могут дать информацию не только о существовании частиц, но и о механизме их взаимодействия с обычным веществом.

У LZ уже есть новые данные

И здесь появляется, пожалуй, самое важное обстоятельство.

Учёные не собираются останавливаться на этом одном событии.

LUX-ZEPLIN продолжает работу, а последующий массив данных уже примерно в два раза больше того набора, на котором был найден LZ.230616, находится в процессе калибровки и анализа.

Именно эти данные могут решить судьбу нынешнего кандидата.

Если в них появятся новые события того же типа, гипотеза о тёмной материи станет значительно сильнее.

Если же подобных событий больше не обнаружится, а исследователи найдут неизвестный ранее механизм фонового сигнала, LZ.230616, скорее всего, окажется редкой аномалией.

Оба варианта будут полезны для науки.

Возможно, это только начало

Сейчас правильнее всего называть LZ.230616 кандидатом на сигнал тёмной материи, а не обнаружением самой тёмной материи.

Но именно в этом и заключается необычность результата. Учёные получили всего одну точку в данных — зато такую, которую после месяцев проверок пока не удаётся нормально объяснить известной физикой.

Экспериментальная физика редко начинается с громкого объявления о сенсации. Гораздо чаще сначала появляется странный сигнал, затем второй, третий — и только после многочисленных проверок становится понятно, действительно ли исследователи увидели новую частицу.

Сейчас LUX-ZEPLIN находится именно на этой стадии.

Если следующие годы наблюдений подтвердят LZ.230616, нынешний одиночный сигнал может войти в историю как первый прямой след частицы тёмной материи.

А если нет, учёные всё равно получат важную информацию о том, где заканчиваются возможности существующих моделей и где нужно искать новые объяснения.

Пока же Вселенная оставляет физикам одну загадочную вспышку в десяти тоннах жидкого ксенона — и очень большой вопрос о том, что именно её вызвало.