Физики из международной коллаборации XENON не обнаружили следов легкой темной материи. Они изучали самые слабые сигналы в детекторе XENONnT, вызванные одиночными электронами, вырванными из атомов ксенона. Исследование, опубликованное в Physical Review Letters, позволило поставить новые ограничения на массу и взаимодействие легкой темной материи.
Современные астрофизические наблюдения указывают, что около 85 процентов вещества во Вселенной не испускает свет и почти не взаимодействует с обычной материей, из-за чего его и называют темной материей. Многие эксперименты ищут тяжелые слабо взаимодействующие частицы массой от десятков до тысяч гигаэлектронвольт, но все больше внимания привлекают и более легкие кандидаты — например, аксионоподобные частицы, темные фотоны и легкая темная материя с массой от нескольких электронвольт до сотен мегаэлектронвольт.
Один из крупнейших в мире детекторов темной материи XENONnT расположен под горой Гран-Сассо в Италии и использует в качестве мишени две тонны жидкого ксенона. Частицы, взаимодействующие с атомами ксенона, создают световые и ионизационные сигналы. Обычно в анализ берут события с парой вспышек: первичная от сцинтилляции и вторичная от ионизации. Но для сверхлегких частиц часто не удается зафиксировать первичную сцинтилляцию.
В новой работе ученые из коллаборации XENON проанализировали только вторичные сигналы — даже такие, где всего один или два электрона достигли поверхности, однако темной материи так и не зафиксировали. В анализ вошли данные из двух коротких запусков в 2021 году — всего около месяца каждый, но благодаря высокому качеству сигнала и улучшенной реконструкции, ученые снизили энергетический порог до 13,7 электронвольта — примерно в 70 раз ниже порога типичных детекторов. Были учтены различные фоны, включая задержанные электроны и шумы от поверхности.
После анализа более 800 событий с одиночными и несколькими электронами исследователи не увидели статистически значимого избытка. Тем не менее ученым удалось получить самые жесткие на сегодня ограничения на взаимодействие легкой темной материи с электронами через тяжелые переносчики, а также на поглощение темных фотонов и аксионоподобных частиц массой менее 0,03 килоэлектронвольта.
Исследователи надеются, что будущие работы позволят лучше понять фоны и использовать весь объем данных XENONnT, чтобы заглянуть еще глубже в область малых масс.
Ограничения на параметры темных фотонов и аксионоподобной темной материи