Физики получили редкий сигнал, который пока не удаётся уверенно объяснить известными процессами. В детекторе LUX-ZEPLIN зарегистрировали одиночное столкновение с ядром ксенона, слишком энергичное и необычное для ожидаемого фона. Исследователи не называют находку открытием тёмной материи, но именно такая частица могла бы оставить похожий след.
Событие обнаружили при повторном анализе 220 суток наблюдений. Ядро ксенона получило энергию около 248 кэВ, причём сигнал выглядел именно как удар по ядру, а не как обычное взаимодействие гамма-излучения или электрона. В опубликованной работе команда LZ отмечает, что для подобной области энергий ожидаемый фон крайне мал.
Главная интрига возникла после проверки самых очевидных объяснений. Похожий сигнал способен создать быстрый нейтрон, но такой нейтрон, скорее всего, оставил бы в установке дополнительные следы. Детектор их не увидел. Физики также проверили влияние радиоактивных распадов, атмосферных нейтрино, космических частиц и случайного наложения сигналов, но ни один из рассмотренных вариантов не объяснил событие достаточно хорошо.
Подозрение вызвала и калибровка детектора, которая закончилась примерно за 25 минут до регистрации необычного столкновения. Источник излучения находился с другой стороны установки, а данные вокруг момента события не показали всплеска похожих сигналов. Поэтому прямую связь с калибровкой исследователи пока не нашли.
Тем не менее одного события слишком мало, чтобы говорить об обнаружении тёмной материи. В зависимости от выбранной модели статистическая значимость сигнала достигает 3,4σ, но после поправки на множество проверенных вариантов снижается до 2,6σ. Для признания открытия в физике частиц обычно требуется уровень 5σ. Коллаборация LZ поэтому осторожно подчёркивает, что пока имеет дело лишь с необычным кандидатом.
Особенно интересно, что простейшая модель тёмной материи подходит к наблюдению не слишком хорошо. Если бы массивные частицы регулярно упруго сталкивались с ядрами ксенона, LZ должен был увидеть больше событий на меньших энергиях. Таких сигналов нет.
Поэтому теоретики обратились к более сложному сценарию, при котором частица во время столкновения меняет своё внутреннее состояние. Такое неупругое рассеяние способно давать сильную отдачу ядра без большого числа более слабых столкновений. В некоторых подходящих моделях масса предполагаемой частицы превышает 200 ГэВ/c² и может находиться около 1 ТэВ/c², то есть быть примерно в тысячу раз больше массы протона.
После публикации результата появились и другие попытки объяснить аномалию. В одной из моделей тяжёлая частица тёмной материи при столкновении переходит в более лёгкое состояние и отдаёт разницу энергии ядру ксенона. Такой механизм действительно может создать сигнал около 248 кэВ, но пока остаётся лишь теоретической возможностью.
Есть и способ быстро проверить часть подобных идей. Если LZ видит только самые быстрые частицы тёмной материи, частота столкновений должна меняться в течение года из-за движения Земли вокруг Солнца. Для некоторых моделей расчёты предсказывают сезонные колебания более чем на 50%.
Теперь всё зависит от новых данных. Если LUX-ZEPLIN снова зарегистрирует несколько похожих высокоэнергетических ударов по ядрам ксенона, одиночная аномалия превратится в гораздо более серьёзный повод искать неизвестную физику. Если сигнал больше не повторится, наиболее экзотические объяснения станут заметно менее убедительными.