Эксперимент LUX-ZEPLIN зарегистрировал необычное столкновение частицы с ядром ксенона, которое пока не удаётся убедительно объяснить известными источниками фоновых событий. Сигнал соответствует некоторым моделям взаимодействия тёмной материи, однако исследователи подчёркивают, что речь идёт всего об одном событии и объявлять об обнаружении тёмной материи пока нельзя.
LUX-ZEPLIN, или LZ, работает примерно в 1,6 км под землёй в исследовательском центре Sanford Underground Research Facility в Южной Дакоте. Детектор использует около 10 тонн сверхчистого жидкого ксенона и ищет крайне редкие столкновения атомных ядер с частицами, которые могут составлять тёмную материю. Подземное расположение и дополнительные системы защиты позволяют отсечь большую часть космических лучей, нейтронов и других помех.
Новый анализ охватывает 220 суток наблюдений с марта 2023 по апрель 2024 года. В пересчёте на активную массу ксенона исследователи получили экспозицию 2,84 тонно-года. В отличие от предыдущих поисков команда расширила диапазон энергий отдачи ядра примерно до 270 кэВ, чтобы проверить модели тёмной материи, способные давать более энергичные столкновения.
Именно в расширенном диапазоне появился необычный сигнал. По оценке LZ, зарегистрированное событие соответствует отдаче ядра с энергией около 248 кэВ, со статистической и систематической погрешностями примерно по 23 кэВ. Исследователи проверили известные источники фоновых событий, но ни один из них пока не дал удовлетворительного объяснения наблюдению.
Если причиной действительно стала частица тёмной материи, наиболее естественным кандидатом может оказаться WIMP, слабовзаимодействующая массивная частица. По оценке исследователей Brown University, для объяснения такого сигнала масса частицы должна составлять как минимум около 200 ГэВ/c², то есть превышать массу протона более чем в 200 раз. Такой вывод зависит от модели взаимодействия и не означает, что LZ измерил массу неизвестной частицы напрямую.
При предполагаемом столкновении неизвестная частица передала энергию ядру ксенона. Возникшая отдача вызвала слабую вспышку ультрафиолетового света и высвободила электроны, которые зарегистрировали датчики LZ. По форме сигнала событие выглядит как настоящее взаимодействие внутри ксенона, а не как очевидная аппаратная помеха.
Статистическая значимость результата достигает 2,6 сигма после поправки на так называемый эффект поиска в нескольких моделях. Максимальная локальная значимость составляет 3,4 сигма. Физики обычно требуют уровня 5 сигма, прежде чем объявлять открытие новой частицы или нового физического явления. Для результата LZ вероятность получить подобное отклонение только из-за учтённого фонового процесса оценивается примерно в 0,5%.
Один сигнал всё равно оставляет слишком много пространства для редкого фонового процесса, который команда могла не учесть. Представитель LZ Рик Гайтскелл прямо заявил, что коллаборация не утверждает, будто увидела тёмную материю. По его словам, интерес вызывает сочетание двух факторов: событие оказалось именно в области, где некоторые модели предсказывают сигнал тёмной материи, а ожидаемый фон там очень мал.
Физик Аарон Маналейсей из Lawrence Berkeley National Laboratory рассказал, что необычные события периодически появляются в данных подобных экспериментов, но подробный разбор обычно позволяет связать их с конкретным фоновым процессом. В данном случае команда пока не нашла такой причины, несмотря на дополнительные проверки. Исследователи продолжают искать редкие механизмы, которые могли имитировать предполагаемое столкновение с тёмной материей.
Наблюдение также плохо соответствует самому простому варианту взаимодействия WIMP с веществом. Физик Брауновского университета Джиджи Фан, не участвовавшая непосредственно в экспериментальном анализе, объяснила, что обычное упругое рассеяние частицы такой массы должно было сопровождаться большим количеством событий с меньшей энергией. LZ увидел только один высокоэнергетический сигнал. Среди возможных объяснений исследователи рассматривают более сложные модели, включая неупругое и зависящее от импульса рассеяние.
Тёмная материя, согласно современным космологическим моделям, составляет около 85% всей материи Вселенной. Астрономы видят её гравитационное влияние на движение звёзд и галактик, скопления галактик и искривление света, но ни одну предполагаемую частицу тёмной материи пока не удалось надёжно зарегистрировать напрямую. WIMP десятилетиями остаются одним из основных кандидатов, хотя многочисленные эксперименты постепенно исключают всё более широкие диапазоны их возможных масс и взаимодействий.
LZ продолжает набор данных и рассчитывает довести общую продолжительность наблюдений примерно до 1000 рабочих суток. Если аналогичные события начнут повторяться с параметрами, которые предсказывает одна и та же модель тёмной материи, статистическая значимость будет расти. Если новых сигналов не появится, нынешняя аномалия с большой вероятностью останется редким фоновым событием.
Коллаборация представила результаты 1 сентября на конференции TeV Particle Astrophysics в Японии. На момент публикации LZ подготовила статью для отправки в Physical Review Letters и разместила материалы анализа на официальном сайте эксперимента. В работе участвуют около 250 исследователей из 39 научных организаций нескольких стран.
