Физики зафиксировали возможный сигнал темной материи

Физики, работающие на самом чувствительном в мире детекторе темной материи XENON, сообщили, что им удалось зафиксировать сигнал, потенциально указывающий на частицы этой загадочной субстанции. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters. В том же номере журнала размещены статьи пяти групп экспертов, в каждой из которых приводится оценка гипотез, объясняющих природу наблюдаемых сигналов.

XENON — исследовательский проект по изучению темной материи, который реализуется в лаборатории Гран Сассо в Италии. Сама лаборатория находится глубоко под землей, чтобы обеспечить необходимое экранирование и уменьшить фоновый шум.

Физики считают, что частицы темной материи, или слабо взаимодействующие массивные частицы (WIMP — Weakly interacting massive particles) можно обнаружить, если фиксировать ядерные распады и возмущения в закрытой камере, наполненной ксеноном. Поэтому главный элемент установки третьей фазы проекта под названием XENON1T — резервуар с жидким радиоочищенным ксеноном массой две тонны.

Согласно теоретическим предположениям, входящая частица темной материи, ударяющая по атомам в резервуаре, будет высвобождать фотоны и электроны, которые фиксируются в виде вспышек света фотоумножители в верхней и нижней частях резервуара.

16 июня 2020 года ученые заметили избыточные сигналы, которые они не смогли объяснить с помощью частиц стандартной модели или фонового шума. В целом же в течение года исследователи обнаружили на XENON1T 285 событий в диапазоне энергий, в котором они ожидали проявление частиц темной материи. И только 232 их них авторы уверенно отнесли к фоновым сигналам.

Однако остальные, "избыточные" сигналы не выглядели так, как будто они исходят от WIMP. Атом, отскакивающий после удара вимпом, должен высвободить как фотоны, так и электроны, а характер "избыточных" событий указывает на то, что неопознанные частицы взаимодействуют с электронами атомов.

Исследователи XENON проанализировали три возможных источника: частицы, испускаемые Солнцем; следы радиоактивных примесей; и бозоны темной материи, которые ведут себя иначе, чем вимпы.

Потенциальные солнечные частицы — нейтрино и аксионы, по мнению авторов, могли бы теоретически добраться до детектора XENON1T и произвести в нем значимый сигнал. Однако нейтрино должны для этого иметь больший магнитный момент, чем предсказывает стандартная модель. К тому же, обе гипотезы — нестандартных нейтрино и солнечных аксионов — противоречат наблюдениям за звездами: если бы эти частицы испускались Солнцем в достаточном количестве, чтобы объяснить сигнал XENON1T, они испускались бы и другими звездами, вызывая их быстрое охлаждение, а этого не происходит.

Не исключают авторы влияние фона. Несмотря на беспрецедентные усилия по его подавлению, некоторая слабая нежелательная радиоактивность остается. Часть фоновых сигналов — от изотопов ксенона, криптона, йода и свинца, физики могут количественно оценить с помощью независимых измерений. Вклады других, например трития, изучены недостаточно. Авторы отмечают, что если детектор содержит всего три атома трития на килограмм ксенона, один только бета-распад трития может объяснить сигнал.

Но самый интригующий, по мнению исследователей, сценарий — это наличие частиц темной материи, отличных от WIMP. Во-первых, сигнал выглядит так, как будто он исходит от частиц, сталкивающихся в основном с электронами атомов ксенона. Во-вторых, каждое из этих взаимодействий сбрасывает в атом несколько килоэлектронвольт энергии.

В этом случае энергия столкновения должна соответствовать массе частицы темной материи. Есть два кандидата на эту роль с массой около двух килоэлектронвольт каждая — аксион, более тяжелый, чем солнечный; и темный фотон — более массивный родственник обычных фотонов с гораздо более слабым взаимодействием с материей.

По оценкам ученых коллаборации XENON, если темные фотоны поглощаются со скоростью в 10^-30 раз меньше, чем обычные фотоны, их взаимодействием можно объяснить сигнал в детекторе.