Физики из эксперимента LUX-ZEPLIN (LZ) увидели эффект упругого когерентного рассеяния солнечных нейтрино на ядрах ксенона, а также установили наилучшее ограничение на параметры темной материи в области масс от пяти гигаэлектронвольт. Для этого они использовали двухфазный эмиссионный детектор, заполненный семью тоннами жидкого ксенона. Об этом физики сообщили во время трансляции, а также опубликовали препринт статьи на arXiv.org.
По современным представлениям ученых, гравитирующего вещества во Вселенной должно быть примерно в пять раз больше, чем мы можем наблюдать традиционными методами. Эту скрытую массу называют темной материей. Существует ряд косвенных наблюдений, подтверждающих ее существование. Например, распределение скоростей вращения звезд вокруг центров галактик, гравитационное линзирование и анализ неоднородности реликтового излучения указывают на наличие дополнительной массы. Однако физики до сих пор не смогли установить, из чего состоит темная материя, на эту тему существует множество гипотез. Одна из самых популярных предполагает наличие пока не открытой тяжелой слабовзаимодействующей частицы — вимп (WIMP, weakly interacting massive particle). Исследователи пытаются найти ее уже не одно десятилетие и строят для этого все более чувствительные детекторы, постепенно сужая область поиска.
Область параметров вимпов ограничена фоном от упругого когерентного рассеяния солнечных и атмосферных нейтрино, которое может давать сигналы, схожие с ожидаемыми от частиц темной материи в области малых сечений взаимодействия этих частиц с веществом детекторов. Чтобы продолжить поиск, исследователям необходимо зафиксировать и охарактеризовать этот фон. До сих лишь два детектора по поиску темной материи сообщили о возможном обнаружении упругого когерентного рассеяния солнечных нейтрино — XENONnT и PandaX. При этом в обоих случаях значимость обнаружения составила не более трех стандартных отклонений.
В новой работе физики из эксперимента LZ под руководством Рика Гейтскелла (Rick Gaitskell) из Университета Брауна также сообщили об обнаружении упругого когерентного рассеяния нейтрино. Для этого они использовали двухфазный эмиссионный детектор на основе жидкого ксенона, расположенный в подземной лаборатории Хоумстейк, на глубине около 2400 метров. Детектор заполнен девятью тоннами жидкого ксенона и помещен в бак, заполненный 17 тоннами жидкого сцинтиллятора, который в свою очередь размещен в баке с 230 тоннами сверхчистой воды. Такая вложенная система и подземное расположение детектора позволяет значительно подавить внешний радиационный фон. На сегодняшний день ученые смогли набрать 417 дней экспозиции детектора. При этом ученые сосредоточили свое внимание на области ожидаемых малых масс, где вклад от внешнего радиационного гамма фона должен быть минимальным.
19 событий, прошедшие все критерии отбора и представленные в виде индивидуальных распределений вероятности принадлежности к определенному классу событий
После обработки данных и исключения фоновых событий ученые обнаружили 19 событий в области допустимых параметров. При этом, согласно моделированию, ожидалось обнаружить 20,6 +8,9 -6,8 событий от упругого когерентного рассеяния солнечных нейтрино и около 6,6 ± 0,3 фонового события. По словам ученых, такой результат согласуется с отсутствием частиц темной материи и наличием порядка 12 событий от солнечных нейтрино. Это позволило исследователям заявить об обнаружении эффекта упругого когерентного рассеяния нейтрино со значимостью около 4,5 стандартных отклонений и установить самые строгие на сегодняшний день ограничения на параметры темной материи в области масс 3–9 гигаэлектронвольт.