Физики получили новый способ обнаружения темной материи, подтвердив эффект Мигдала

Новости МирТесен

Ученые впервые представили убедительные свидетельства существования квантового явления, которое на протяжении почти ста лет оставалось лишь теоретической гипотезой. Данное открытие предоставило науке совершенно новый метод для поиска частиц темной материи, которые остаются невидимыми для стандартных детекторов.

Еще в 1939 году советский физик Аркадий Мигдал предсказал нетипичное поведение атомов во время столкновений. Он рассчитал, что при внезапном ударе нейтральной частицы по атомному ядру, ядро сдвинется, поскольку электронные оболочки не смогут моментально отреагировать.

В результате такого несоответствия, напоминающего резкий толчок, один из электронов покинет свою орбиту, приводя к ионизации атома. Долгое время этот процесс оставался теоретическим, поскольку обнаружить отдельный электрон на фоне естественного радиационного фона представлялось технически невозможным.

В космологии одновременно возникал кризис, связанный с поиском невидимой массы Вселенной. Астрономы утверждают, что невидимая темная материя составляет около 85% общей массы космоса, однако попытки обнаружить ее частицы на Земле пока не увенчались успехом. Прежние исследования были направлены на выявление тяжелых частиц, известных как вимпы, однако они не принесли результатов. В настоящее время научное сообщество проявляет больший интерес к легкой темной материи. Сложность заключается в том, что легкая частица при столкновении с атомом практически не передает ему энергии. Из-за этого датчики не фиксируют слабое колебание ядра, и взаимодействие остается незамеченным.

Эффект Мигдала разрешает это противоречие, делая невидимое видимым. В случае, если гипотетическая частица темной материи выбивает электрон из атома, детекторы смогут зарегистрировать энергию, затраченную на это, а не незначительное смещение ядра. Долгое время физики применяли этот теоретический расчет в своих моделях, не располагая прямыми доказательствами его существования. Теперь этот пробел восполнен. Результаты работы опубликовали в журнале Nature.

Китайские ученые разработали необычное устройство, получившее название «атомная камера». Это газовый детектор, работающий при пониженном давлении и содержащий смесь гелия и органического газа. Такая конструкция позволяет с высокой степенью точности реконструировать трехмерные траектории движения заряженных частиц. Для проверки разработанной теории физики провели эксперимент, в котором газ подвергался воздействию нейтронов. Эти нейтральные частицы были использованы для имитации поведения темной материи: они взаимодействовали с ядрами газа, вызывая ожидаемую «встряску».

Поиск иголки в стоге сена – вот какая задача перед нами стояла. Система осуществила анализ более 800 тысяч событий, зарегистрированных детектором. Ученые искали характерный признак: в одной точке должны были возникать сразу два следа. Один, короткий, был бы создан тяжелым ядром, отскочившим после столкновения, а второй – выбитым электроном. Такая конфигурация не может быть образована обычными помехами или фоновой радиацией.

Исследователи определили шесть событий, которые полностью соответствуют прогнозам Аркадия Мигдала. Достигнутый уровень статистической значимости составил пять сигм. В физике элементарных частиц подобная степень достоверности указывает на значимое открытие, при котором вероятность ошибки практически равна нулю.

Детектор продемонстрировал способность фиксировать значительную часть энергии, высвобождаемой электроном. Благодаря этому, разработанный метод позволяет обнаруживать даже незначительные воздействия.

Непосредственное обнаружение эффекта Мигдала позволяет перенести поиски темной материи из сферы теоретических предположений в область практических исследований. Собранные сведения продемонстрировали, что имеющиеся детекторы можно адаптировать для поиска легких частиц. Это открывает физике новые возможности для изучения состава нашей Вселенной.