Крошечная вспышка света глубоко под землёй может оказаться одним из самых интригующих следов тёмной материи за всю историю её поисков.
Физики сообщили о необычном событии, зарегистрированном экспериментом «Люкс-Зеплин». Сигнал обладает характеристиками, которых можно было бы ожидать от одного из главных кандидатов на роль тёмной материи, и при этом его оказалось непросто объяснить известными процессами.
Но говорить об открытии пока рано. Результаты ещё не прошли рецензирование, а статистическая убедительность сигнала слишком мала, чтобы исключить случайность или неизвестный источник помех.
Учёные подчёркивают: они не утверждают, что увидели тёмную материю. Их заинтересовало другое — событие произошло именно там, где такой сигнал ожидали увидеть, а вероятность появления обычных фоновых частиц в этой области крайне невелика.
Проблема тёмной материи существует почти столетие. Ещё в 1930-х годах астрофизики заметили, что наблюдаемой материи во Вселенной недостаточно для объяснения происходящего. Словно где-то присутствует дополнительная масса, которую нельзя увидеть, но можно заметить по её гравитационному воздействию.
По современным оценкам, такой материи должно быть примерно в пять раз больше, чем обычной. Однако она не испускает и не отражает свет, а десятилетия экспериментов пока не позволили надёжно определить, из чего именно она состоит.
Один из возможных вариантов — тяжёлые частицы, которые чрезвычайно слабо взаимодействуют с обычным веществом.
Предполагается, что такие частицы почти всегда свободно проходят сквозь материю. Но очень редко одна из них может столкнуться с атомным ядром. Именно такие редчайшие столкновения и пытается поймать «Люкс-Зеплин».
В основе установки находится огромный резервуар с жидким ксеноном и тонким слоем газообразного ксенона сверху. Если неизвестная частица ударит по атому, возникает слабая вспышка света. Одновременно освобождаются электроны, которые поднимаются вверх и, попав в газообразный ксенон, создают вторую вспышку.
По времени и интенсивности этих двух сигналов исследователи могут судить о том, что произошло внутри детектора.
Есть только одна серьёзная проблема: похожие события вызывают и обычные частицы. Причём намного чаще, чем гипотетическая тёмная материя.
Поэтому установку спрятали под полутора километрами горной породы. Резервуар с ксеноном окружён водой, а дополнительные приборы отслеживают излучение, которое могло бы выдать обычное происхождение сигнала. Всё это должно максимально подавлять помехи от космических лучей и естественной радиоактивности.
И всё же 16 июня 2023 года произошло событие, которое исследователи до сих пор не смогли удобно списать на фон.
Детектор зарегистрировал две вспышки с энергиями, соответствующими сценарию, при котором тяжёлая слабо взаимодействующая частица столкнулась с ядром атома ксенона.
После обнаружения этого события физики месяцами проверяли возможные альтернативы.
Версия с нейтронами или нейтрино плохо соответствовала данным: энергия сигнала оказалась слишком высокой, а ожидаемых дополнительных событий с меньшей энергией прибор не увидел.
Оставалась возможность случайного гамма-излучения. Но тогда гамма-кванту пришлось бы необычно далеко пройти через резервуар, затем особым образом рассеяться и при этом не оставить других ожидаемых следов. Кроме того, ему пришлось бы ускользнуть от окружающих детекторов.
Такой сценарий исследователи сочли маловероятным.
Проверили и ещё одну возможность: вдруг две вспышки вообще не были связаны между собой, а два независимых события просто случайно произошли почти одновременно. Анализ показал, что вероятность этого также очень мала.
Лучше всего наблюдение соответствует частице тёмной материи массой более 200 гигаэлектронвольт.
Один из участников проекта Аарон Маналайсей признался, что необычные события в данных встречаются регулярно. Обычно после более тщательного анализа выясняется, какой именно фоновый процесс их вызвал. Но в этом случае событие после всех проверок продолжает выглядеть правдоподобно.
По его словам, исследователи всё ещё пытаются придумать редкий известный процесс, который они могли пропустить. Однако сама возможность того, что перед ними первый намёк на непосредственное наблюдение тёмной материи, чрезвычайно интригует команду.
Есть, впрочем, важная причина пока не называть результат открытием.
В физике частиц для этого обычно требуется статистическая значимость в пять сигма. При таком уровне вероятность того, что наблюдаемый результат случайно создали фоновые процессы, составляет примерно один шанс на 3,5 миллиона.
У нового сигнала «Люкс-Зеплин» пока только 2,6 сигма — приблизительно один шанс на 200, что результат возник случайно.
Разница огромна.
Поэтому одного события недостаточно. Физикам понадобятся новые данные и, главное, новые похожие сигналы.
Но необычность нынешнего результата именно в том, что найденное событие пока выдержало попытки объяснить его более привычными причинами. Оно появилось в нужной области энергий, соответствует ожидаемому столкновению и не сопровождается признаками, которые легко выдали бы известный источник.
Так что тёмную материю пока не обнаружили.
Но после десятилетий безуспешных поисков физики получили сигнал, который оказался достаточно странным, чтобы всерьёз задуматься: а что, если на этот раз детектор действительно поймал то, ради чего его строили?
Работа с описанием события отправлена в журнал Physical Review Letters, но ещё не прошла рецензирование.
