Зарегистрирован сигнал, который может оказаться первой частицей тёмной материи. Коллаборация осторожно наращивает статистику, чтобы уточнить природу частицы-кандидата
Эксперимент LUX-ZEPLIN (LZ) в Южной Дакоте зафиксировал событие, которое может оказаться первым прямым обнаружением частицы тёмной материи. Результат представили 1 сентября на конференции TeV Particle Astrophysics в японском городе Тендо. Статистическая значимость сигнала составляет 2,6 сигма — это намного ниже принятого в физике частиц порога в 5 сигма, необходимого для объявления открытия. Вероятность того, что сигнал порождён известными фоновыми процессами, оценивается примерно в 0,5%.
Событие, зафиксированное на глубине 1,5 км в Южной Дакоте, соответствует столкновению с частицей массой более 200 протонов
Детектор LZ расположен в подземной лаборатории Санфорд на глубине почти 1,5 км под землёй. Толща породы экранирует его от космических лучей, а внешний водяной бак и дополнительные детекторы отсекают другие частицы, способные имитировать сигнал тёмной материи. Внутри находится 10 тонн сверхчистого жидкого ксенона. Когда частица сталкивается с ядром ксенона, оно испускает крошечную вспышку света — именно такие вспышки и ищут физики.
Источник изображения: Matthew Kapust / Sanford Underground Research Laboratory
Авторы проанализировали 220 дней наблюдений, собранных с марта 2023 по апрель 2024 года. В отличие от типичных поисков, которые ограничиваются энергиями ниже 50 килоэлектронвольт, в этот раз диапазон расширили до 270 кэВ. После снятия маскировки данных — процедуры, при которой коллаборация намеренно добавляет ложные события, чтобы избежать неосознанной подгонки результатов, — в массиве остался единственный необъяснённый сигнал. Это было столкновение с энергией 248 кэВ.
Если сигнал действительно вызван частицей тёмной материи, то она должна относиться к классу слабовзаимодействующих массивных частиц — WIMP (Weakly Interacting Massive Particles). Именно эти гипотетические частицы десятилетиями считались главным кандидатом на роль тёмной материи — субстанции, которая, согласно расчётам, удерживает галактики от разлёта и составляет около 85% всей массы Вселенной. Масса такой частицы составила бы не менее 200 гигаэлектронвольт, что более чем в 200 раз тяжелее протона, а вероятнее всего — около 1000 ГэВ.
Предыдущие эксперименты — XENON в итальянской лаборатории Гран-Сассо и PandaX в китайской подземной лаборатории Цзиньпин — также искали WIMP в этом энергетическом диапазоне, но на меньших объёмах данных и с менее крупными детекторами. Они не обнаружили ничего, кроме ожидаемого фона. Более того, история поисков тёмной материи знает несколько многообещающих сигналов, которые впоследствии оказались ложными, поэтому сами исследователи LZ предельно осторожны в формулировках.
«Мы не утверждаем, что это тёмная материя. Но мы увидели нечто интересное и хотим поделиться этим с научным сообществом», — заявил представитель коллаборации Рик Гайтскелл из Брауновского университета.
Неудачи в обнаружении WIMP заставили многих теоретиков в последние годы переключиться на альтернативных кандидатов — например, на очень лёгкие частицы, такие как аксионы. Нынешний сигнал, если его природа подтвердится, вернёт WIMP-частицы в центр дискуссии. Пока же физики продолжают «ломать голову» над тем, не мог ли редкий фоновый процесс — например, высокоэнергетический нейтрон от радиоактивного распада — породить зафиксированное событие. Ни одно из известных объяснений пока не подошло.
Коллаборация LZ объединяет 250 учёных и инженеров из 39 институтов. Для прояснения природы сигнала потребуется новый набор данных — детектор продолжает работу. Если событие повторится, то это станет самым значимым прорывом в физике частиц со времён открытия бозона Хиггса.