В области физики и космологии понимание природы темной материи является одной из самых сложных задач. Несмотря на свою невидимость, эта загадочная материя, как считается, составляет почти 85 % от общей массы Вселенной.
Последние поиски темной материи закончились неудачей, однако новые результаты эксперимента LUX-ZEPLIN ставят под сомнение гипотезу о том, что она состоит из слабо взаимодействующих массивных частиц, известных как WIMP. Некоторые эксперты считают это очередным ударом по поискам темной материи, но другие видят в этом новую возможность.
WIMP (Weakly Interacting Massive Particles) считаются главными кандидатами на объяснение темной материи, поскольку они не поглощают, не излучают и не отражают свет, что делает их невидимыми. Более того, они редко взаимодействуют с обычной материей, что делает их крайне сложными для обнаружения. Однако эксперимент LUX-ZEPLIN (LZ), в котором участвуют более 250 ученых из 38 институтов под руководством Национальной лаборатории имени Лоуренса Беркли Министерства энергетики, ставит под сомнение эту гипотезу.
«Это новые серьезные глобальные ограничения на темную материю и WIMP», — говорит Чамкаур Гаг, представитель LZ и профессор Университетского колледжа Лондона. В своем стремлении прояснить природу темной материи международная команда исследователей использовала чрезвычайно чувствительный детектор. Детектор состоит из двух титановых резервуаров, заполненных примерно 10 тоннами жидкого ксенона — плотного, прозрачного материала, предназначенного для улавливания потенциальных столкновений с частицами темной материи. Эксперимент LZ проводился на глубине 1,5 км под землей в подземном исследовательском центре Black Hills в Южной Дакоте.
Результаты, представленные 26 августа на двух конференциях по физике (LIDINE 2024 в Сан-Паулу и TeV Particle Astrophysics 2024 в Чикаго), позволили получить ранее не публиковавшиеся данные о WIMP. Принцип обнаружения основан на гипотезе: если WIMP присутствуют, они могут столкнуться с ядром атома ксенона, что вызовет слабый всплеск света и движение атомов. Если это происходит, то фотоэлектронные умножители (ФЭУ) регистрируют это взаимодействие. Набор фотоэлектронных умножителей, предназначенных для регистрации сигналов от взаимодействия частиц, происходящего в детекторе жидкого ксенона LZ.
Проанализировав 280 дней данных LZ (220 дней, собранных в период с марта 2023 по апрель 2024 года, в сочетании с 60 днями данных первого запуска LZ), исследователи усовершенствовали свой поиск, изучив более слабые взаимодействия темной материи, чем когда-либо прежде. Однако самый поразительный вывод Гага звучит так: «Мы лучшие в мире по ненахождению темной материи». Команда не нашла никаких доказательств того, что сигналы WIMP превышают массу в 9 гигаэлектронвольт (ГэВ)/c², что примерно в девять раз больше массы протона, чуть меньше 1 ГэВ/c². Эти результаты свидетельствуют о том, что WIMP взаимодействуют с веществом на более низких уровнях, чем было установлено ранее.
«Если бы WIMP присутствовали в той области, которую мы искали, мы бы смогли сказать о них что-то конкретное», — говорит Гаг.
Эти новые результаты также ознаменовали первое использование техники «соления» в LZ. Соление заключается в добавлении ложных сигналов WIMP во время сбора данных. Скрывая их в фактических данных, исследователи могут избежать неосознанных предубеждений, которые могут изменить их анализ еще до того, как они узнают результат.
«Человеку свойственно видеть в данных закономерности, поэтому важно убедиться, что в них не закралась предвзятость», — говорит Скотт Хазельшвардт, координатор физики LZ.
Первая фаза эксперимента LZ началась в 2022 году. Другими словами, он все еще находится в зачаточном состоянии. По словам Грегори Ришбитера, научного сотрудника физического факультета Мичиганского университета и координатора калибровочного анализа LZ, «этот результат получен только после анализа 25 % наших данных. Поэтому мы просто обязаны использовать оставшиеся 75%». Более того, команда планирует собрать более 1000 дней дополнительных данных в период до 2028 года. Исследователи также планируют изучить другие редкие и интересные физические процессы, такие как распады атомов ксенона, двойной бета-распад без нейтрино, нейтрино бора-8 от Солнца и другие явления за пределами Стандартной модели. Они также изучают возможные усовершенствования LZ и планируют разработать детектор темной материи нового поколения под названием XLZD.
«Если LZ не обнаружит WIMP, а детектор следующего поколения, XLZD, не обнаружит их, то это, вероятно, будет конец WIMP», — заключает Гаг.
Набор фотоэлектронных умножителей, предназначенных для регистрации сигналов от взаимодействия частиц, происходящего в детекторе жидкого ксенона LZ
