Детектор, содержащий 10 тонн сверхчистого жидкого ксенона, зафиксировал в период 2023-2024 годов необычную энергетическую вспышку — тип сигнала, который может быть вызван столкновением атомного ядра с массивной частицей темной материи, проходящей через нашу Галактику.
Если находка подтвердится дополнительными данными, это может означать, что темная материя — невидимая субстанция, которая, как считается, не дает галактикам разлететься, — наконец-то обнаружена. И это покажет, что темная материя действительно состоит из частиц намного массивнее протонов, а именно из «слабо взаимодействующих массивных частиц» (WIMP), существование которых долгое время показывали теоретические расчеты, но на практике оставалось неподтвержденным, несмотря на десятилетия поисков.
Участники эксперимента LUX-ZEPLIN (LZ) на подземной научной станции Сэнфорд в Южной Дакоте объявили о результате 1 сентября на конференции по астрофизике частиц в Тендо, Япония. «Это событие, несомненно, взволнует научное сообщество», — отметил Цзянлай Лю, физик из Шанхайского университета Цзяо Тун.
В течение десятилетий теоретики полагали, что основным компонентом темной материи является WIMP. Однако попытки обнаружить темную материю при ее прохождении через Землю или создать ее путем столкновения атомов на таких установках, как Большой адронный коллайдер, не принесли результатов. Многие специалисты переключили внимание на поиск других возможных кандидатов, например, очень легких частиц.
LZ, стартовавший в конце 2021 года, проанализировал 220 дней наблюдений с марта 2023 по апрель 2024 года, сосредоточившись на редких вспышках от высокоэнергетических столкновений с ядрами ксенона. Самуэль Эриксен, физик из Бристольского университета, представивший результаты на конференции, объяснил, что обычно такие поиски фокусируются на энергиях менее 50 килоэлектронвольт, но в этом анализе диапазон был расширен до 270 кэВ.
Чтобы избежать предвзятости, коллаборация LZ «подсаливает» свои данные: в поток событий искусственно добавляются многочисленные псевдосигналы, похожие на темную материю. Ученые анализируют массив, не зная, какие именно сигналы реальны. Лишь в конце данные «обессоливают», убирая сгенерированные события. «После того как мы “обессолили” данные, остался лишь один сигнал», — рассказал Ричард Гейтскелл из Университета Брауна, представитель LZ.
Событие оказалось отдачей, которая высвободила 248 кэВ энергии в детекторе. Специалисты LZ оценивают, что частица темной материи, производящая такую отдачу, должна весить эквивалент как минимум 200 гигаэлектронвольт, вероятно, около 1000 ГэВ.
«Мы наблюдаем всего одно высокоэнергетическое событие, — подчеркнул Эриксен. — И пока что мы не можем утверждать, что это темная материя». Лю призвал к «крайней осторожности», отметив, что «любые объяснения должны быть тщательно изучены».
Тем не менее команда решила обнародовать находку после вывода, что результат нельзя объяснить известной физикой. «Об этом стоит рассказать людям», — сказал Эриксен. Если сигнал подлинный, данные, собранные LZ, PandaX и XENON, должны его подтвердить. «Если это так, подтверждение произойдет очень быстро», — почеркнул физик из Чикагского университета Хуан Коллар.
Ранее ученые выяснили, что гравитация Млечного Пути может имитировать присутствие темной материи.