В рамках международного эксперимента LUX-ZEPLIN (LZ), созданного для непосредственного поиска тёмной материи, зафиксировано событие, которое ученые на данный момент не могут однозначно связать с известными источниками шума. Данное проявление зарегистрировано в энергетическом диапазоне, где предполагается появление сигналов от взаимодействия частиц тёмной материи.

Полученные данные пока недостаточны для констатации открытия. Уровень статистической достоверности события составляет 2,6σ, в то время как в физике элементарных частиц для официального подтверждения открытия обычно требуется показатель не менее 5σ. Несмотря на это, специалисты рассматривают полученный сигнал как наиболее перспективный признак потенциального обнаружения тёмной материи за всё время проведения эксперимента LZ.

Тёмная материя продолжает оставаться одной из ключевых нерешенных проблем современной физики. Согласно современным космологическим моделям, её доля в общей массе Вселенной составляет приблизительно 85%, однако непосредственная регистрация частиц тёмной материи до настоящего времени оказалась невозможной.

Проект LZ объединяет усилия приблизительно 250 специалистов, включая ученых и инженеров, представляющих 39 различных научных организаций. Детектор расположен на глубине порядка 1,6 километра в подземном исследовательском комплексе Sanford Underground Research Facility, находящемся в штате Южная Дакота. Такая значительная глубина необходима для обеспечения максимальной защиты установки от воздействия космических лучей и других частиц, которые могут создавать ложные сигналы, схожие с ожидаемым сигналом.

Основной рабочий объем детектора включает примерно 10 тонн сверхчистого жидкого ксенона. Эксперимент ориентирован, прежде всего, на поиск гипотетических вимпов — слабо взаимодействующих массивных частиц, являющихся одним из наиболее вероятных кандидатов в роли частиц тёмной материи.

Необычное событие

Полученные результаты основаны на анализе данных, собранных за 220 дней работы детектора в период с марта 2023 года по апрель 2024 года. Ранее эти данные уже применялись для поиска наиболее вероятного сценария взаимодействия вимпов с атомами ксенона.

В ходе текущего исследования область поиска была расширена, и ученые рассмотрели возможные взаимодействия, при которых частица тёмной материи передает атому ксенона повышенное количество энергии. Именно в этой области, ранее практически не подвергавшейся изучению, было зафиксировано необычное событие.

«Данное событие вызвало значительный интерес у исследователей, поскольку оно локализовано в той области, где ожидается наличие сигнала тёмной материи, при этом уровень помех от фоновых процессов находится на достаточно низком уровне. », — пояснил Рик Гайтскелл, профессор Университета Брауна и представитель проекта LZ.

Тем не менее, специалист отметил, что для подтверждения открытия тёмной материи требуется больше данных. В настоящее время научная группа информирует о зафиксированном аномальном сигнале и рассчитывает на независимую экспертизу со стороны коллег.

В основе работы детектора лежит фиксация слабых световых импульсов и электронов, которые генерируются при передаче энергии к атому ксенона. В случае столкновения предполагаемой частицы тёмной материи с атомом, происходит его возбуждение и последующее излучение света. Одновременно высвобождаются электроны.

Электрическое поле направляет электроны в верхнюю часть камеры, где они вызывают появление второго светового импульса. Фотоумножители, размещенные над и под рабочей зоной, фиксируют эти сигналы, что позволяет определить параметры произошедшего взаимодействия.

Какая причина вызвала интерес исследователей?

В большинстве физических экспериментов отдельное происшествие не представляет существенной ценности. Однако в контексте поиска тёмной материи ситуация отличается: если гипотетические частицы действительно существуют и взаимодействуют с обычной материей крайне незначительно, то зафиксированные взаимодействия будут представлять собой очень редкие явления.

В связи с этим специалисты, работающие над проектом LZ, уделяют пристальное внимание аномальным событиям, которые демонстрируют все характеристики истинного взаимодействия и при этом не находят удовлетворительного объяснения в рамках известных источников шума.

«Мы обладаем настолько глубоким пониманием принципов работы нашего детектора и происходящих фоновых процессов, что даже одно выделяющееся событие может быть значимым », — пояснил Сэм Эриксен, ведущий автор научной работы и сотрудник Бристольского университета.

В случае, если зафиксированный сигнал обусловлен взаимодействием с тёмной материей, масса гипотетической частицы должна составлять не меньше 200 ГэВ/c² — это более чем в двести раз превышает массу протона.

Также, особенности произошедшего события указывают на потенциальную возможность взаимодействия вимп с обычной материей, что отклоняется от наиболее распространенного сценария, используемого в подобных экспериментах.

Тем не менее, вероятность случайного совпадения остается достаточно высокой для того, чтобы говорить об открытии. Показатель значимости 2,6σ демонстрирует, что согласно применяемой модели фоновых процессов шанс получить аналогичный результат без участия нового физического явления составляет приблизительно 0,5%.

В качестве примера сопоставимости, порог 5σ используется физиками-экспериментаторами в области элементарных частиц как строгий критерий для объявления открытия.

Решение принесут новые данные

Ключевым вопросом на текущем этапе является то, будут ли последующие измерения демонстрировать дополнительные события с похожими параметрами.

В случае увеличения числа таких событий при дальнейшем сборе данных, статистическая достоверность сигнала возрастёт, и предположение о его связи с тёмной материей получит значительно больше оснований для поддержки. Однако, если новые наблюдения не подтвердят первоначальное заключение, то вероятнее всего, данное необычное явление будет классифицировано как редкое случайное событие.

Эксперимент LZ в настоящее время обладает самым обширным массивом данных, используемых для поиска тёмной материи, и продолжает функционирование подземного детектора. Проведение дополнительных наблюдений позволит существенно расширить статистическую выборку и проверить полученные результаты.

Обеспечение защиты от нежелательных фоновых воздействий играет важную роль в проведении эксперимента. Помимо естественного экранирования установкой массивным слоем горных пород толщиной почти в полтора километра, защищающим её от космического излучения, детектор расположен внутри резервуара с водой и дополнен системами регистрации частиц. Эти системы предназначены для обнаружения нейтронов и других частиц, которые могут генерировать ошибочные сигналы.

Учёные применяют передовые методы анализа данных, чтобы отличать взаимодействия обычных частиц от потенциальных событий, связанных с тёмной материей.

«Необычные события, регистрируемые в данных, сами по себе не представляют собой сенсацию, однако при детальном рассмотрении обычно обнаруживается, что они имеют объяснение, связанное с фоновыми процессами. — пояснил Аарон Маналейсаи, физик из Берклиевской национальной лаборатории и председатель институционального совета LZ.

По словам исследователя, текущее происшествие представляет собой первый в его опыте случай, когда аномальный сигнал демонстрирует убедительные признаки во всех ключевых аспектах.

В настоящее время специалисты все еще изучают возможность существования редкого природного объяснения. В связи с этим преждевременно утверждать об обнаружении тёмной материи. Однако, если будущие наблюдения, проведенные в лаборатории LZ, подтвердят наличие дополнительных событий подобного рода, то текущий результат может ознаменовать собой начало одного из наиболее значимых открытий современной физики.