Физики зафиксировали возможный след тёмной материи
В Южной Дакоте, на глубине почти полутора километров под землёй, детектор зафиксировал одно-единственное событие, которое физики не могут объяснить ничем известным. Вероятность того, что его вызвала обычная частица, они оценивают в 0,5 %, сообщает коллаборация LUX-ZEPLIN.
Речь о тёмной материи. Её ищут почти сто лет и до сих пор ни разу не поймали напрямую.
Детектор стоит на глубине 4850 футов, около 1478 метров, в бывшей золотой шахте возле города Лид. Внутри десять тонн жидкого ксенона, из которых семь активные, остальное работает как защитный слой.
Принцип такой. Если частица тёмной материи столкнётся с атомом ксенона, тот выдаст вспышку света и электроны, а датчики сверху и снизу камеры это зафиксируют.
Защищают установку сразу несколько рубежей. Полтора километра породы отсекают космические лучи, водяной бак и внешние детекторы задерживают фоновые нейтроны, а специальные программы отбрасывают события, которые только притворяются тёмной материей.
Что именно нашли
Учёные разбирали данные за 220 суток наблюдений, собранные с марта 2023 по апрель 2024 года. Общая экспозиция составила 2,84 тонно-года.
Этот массив уже просеивали раньше, но искали в нём более слабые взаимодействия. В новом анализе расширили энергетическое окно примерно до 270 килоэлектронвольт, и событие обнаружилось именно там, куда прежде не заглядывали.
Энергия отдачи ядра составила 248 килоэлектронвольт. Область, в которой оно оказалось, известна низким фоном, то есть посторонних сигналов там почти не бывает.
«Это было детальное исследование в области, которую мы в этом массиве ещё не изучали, и мы потратили месяцы дополнительных усилий, чтобы понять все возможные причины фоновых событий. Мы настолько хорошо понимаем свой детектор и фон, что даже одно выдающееся событие вроде найденного нами имеет значение. Мы ожидаем, что события тёмной материи будут крайне редкими, поэтому всего несколько штук могут стать первым обнаружением WIMP», - сказал ведущий автор исследования, старший научный сотрудник Бристольского университета Сэм Эриксен.
Если событие действительно вызвала тёмная материя, частица должна быть тяжёлой, минимум 200 гигаэлектронвольт, то есть в двести с лишним раз тяжелее протона. И взаимодействовать с обычным веществом она должна сложнее, чем предполагают простейшие модели.
Почему не объявляют открытие
Не хватает статистики. Глобальная значимость результата составляет 2,6 сигмы, а открытием в физике элементарных частиц считается только пять. Максимальная локальная значимость по отдельным моделям доходит до 3,4 сигмы.
«Нам очень интересно видеть это событие в данных, в той области, где мы и ожидаем появления тёмной материи, а конкурирующие фоновые сигналы там очень низкие. Но с одним событием мы не хотим забегать вперёд. Мы не заявляем, что увидели тёмную материю. Но мы увидели нечто интересное, чем хотим поделиться с научным сообществом, чтобы услышать мнение коллег», - сказал профессор Брауновского университета и официальный представитель коллаборации Рик Гейтскелл.
При этом сами физики признают, что случай необычный.
«Выбросы в данных не редкость, но обычно, когда всматриваешься глубже, они оказываются каким-то фоном. Это первый случай в моей практике, когда выброс выглядит корректным по всем параметрам. Конечно, мы до сих пор ломаем голову, не упустили ли мы какой-то редкий фоновый механизм. Но захватывает мысль, что это может оказаться первым намёком на наблюдение тёмной материи», - сказал физик Национальной лаборатории Беркли и председатель институционального совета LZ Аарон Маналайсей.
Что вообще такое тёмная материя
Это вещество, на которое приходится около 85 % массы Вселенной.
Никто никогда его не видел. О существовании знают только по гравитации, галактики вращаются так, будто в них гораздо больше массы, чем показывает телескоп.
Что дальше
Детектор продолжает работать. Если появятся новые события с такими же характеристиками, значимость результата вырастет, если нет, история сойдёт на нет.
Набранная экспозиция пока составляет меньше четверти от цели. Эксперимент рассчитан на тысячу суток наблюдений, и у LZ уже собран крупнейший в мире массив данных по поискам тёмной материи.
В коллаборацию входят около 250 учёных из 39 институтов США, Великобритании, Португалии, Швейцарии, Южной Кореи и Австралии. Результаты представили 1 сентября на конференции по физике астрочастиц в японском Тендо, статью направили в журнал Physical Review Letters. Научного рецензирования работа пока не прошла.