Где искать то, что нельзя увидеть? Этот вопрос уже почти сто лет мучает физиков. Тёмная материя — невидимая субстанция, на которую приходится около 85 процентов всей массы Вселенной, — до сих пор ускользает от прямого наблюдения. Она не излучает и не отражает свет, не регистрируется телескопами. О её существовании учёные знают только по гравитационному воздействию на галактики: без этой невидимой массы расчёты скоростей вращения звёздных систем попросту не сходятся с реальностью, сообщает Reuters.
И вот — возможно, первый прямой след. Международная коллаборация LUX-ZEPLIN (LZ), объединяющая 250 учёных и инженеров из 39 институтов по всему миру, зарегистрировала единичное событие, которое не удаётся объяснить ни одним из известных фоновых процессов.
Полтора километра под землёй
Эксперимент проходит в подземном исследовательском центре Сэнфорд в штате Южная Дакота — в бывшей золотой шахте на глубине почти полтора километра. Такая глубина нужна не случайно: толща породы надёжно защищает детектор от космического излучения, которое создавало бы ложные сигналы и мешало поиску.
Сердце установки — цилиндрический резервуар с 10 тоннами сверхчистого жидкого ксенона. Физики рассуждают так: если частица тёмной материи столкнётся с ядром атома ксенона, это столкновение породит слабую вспышку ультрафиолетового света — так называемую ядерную отдачу. Именно такие сигналы детектор и ловит.
Главные кандидаты на роль частиц тёмной материи — вимпы, то есть слабо взаимодействующие массивные частицы. Они почти не реагируют с обычным веществом, но при определённых условиях могут оставить едва уловимый след в чувствительном оборудовании.
Что именно обнаружили
В новом анализе учёные изучили 220 дней данных, собранных с марта 2023 по апрель 2024 года. До этого коллаборация уже исследовала этот массив данных на предмет слабых сигналов от простейших типов взаимодействия вимпов. На этот раз физики решили заглянуть в область более высоких энергий, которую раньше не изучали.
И там, в зоне, где фоновые помехи практически отсутствуют, они увидели нечто необычное — одиночное событие ядерной отдачи с энергией около 248 килоэлектронвольт. Его характеристики в точности совпадают с тем, как, по расчётам, должно выглядеть столкновение вимпа с ядром ксенона. При этом объяснить этот сигнал известными процессами с участием обычной материи учёным не удаётся.
Статистическая значимость результата — 2,6 сигма. Это значит, что вероятность того, что сигнал возник случайно из-за фоновых шумов, составляет около одного процента. Для официального открытия в физике элементарных частиц требуется уровень 5 сигма — то есть вероятность ошибки не более одной миллионной. До этого пока далеко.
Осторожный оптимизм
Физики прекрасно осознают, что один-единственный случай — ещё не открытие. Руководитель исследования Сэм Эриксен из Бристольского университета, который представил эти результаты на конференции TeV Particle Astrophysics в Японии, подчеркнул: это всего лишь единичное событие, и утверждать, что это тёмная материя, пока нельзя. Его коллега, официальный представитель LZ Рик Гейтскелл из Университета Брауна, выразился так же сдержанно: учёные видят нечто интересное в той области, где, по их ожиданиям, должна проявиться тёмная материя, и где фоновые помехи крайне малы. Но делать поспешные выводы они не намерены.
Если это событие действительно вызвано тёмной материей, то породившая его частица, скорее всего, относится к более тяжёлому типу вимпов, чем предполагали многие исследователи. Это само по себе стало неожиданностью: физики ожидали, что первый сигнал, если он появится, будет зарегистрирован при более низких энергиях.
Что дальше
Сейчас команда LZ сосредоточена на одной задаче — исключить все возможные альтернативные объяснения. У редких событий бывают редкие фоновые причины: например, случайные нейтроны или неизвестные особенности работы самого детектора. Чтобы убедиться, что сигнал не ложный, нужно накопить больше данных.
Детектор продолжает работать. Если в ближайшее время появятся новые подобные события, это станет сильным аргументом в пользу того, что физики действительно нащупали след тёмной материи. Если же нет — значит, единичный всплеск был лишь статистической флуктуацией или неизвестным фоновым эффектом.
В любом случае, это самый интригующий сигнал, который LZ зафиксировал за всё время работы. И даже если он не приведёт к открытию, он уже указал учёным новое направление для поисков — туда, где они раньше не смотрели. А это в науке часто бывает не менее важно, чем само открытие.
Изображение: разработано Мagnific.
