Физики, возможно, наконец-то обнаружили первые признаки частиц темной материи

Фото из открытых источников

Исследователи из эксперимента LUX-ZEPLIN (LZ) по изучению темной материи сообщили об обнаружении взаимодействия одной частицы, что вызвало у них большой интерес. Это пока не подтвержденное обнаружение темной материи, но это один из тех фактов, которые могут заставить ученых, увидевших его, задуматься. Результаты исследования опубликованы на платформе arXiv и направлены в журнал Physical Review Letters.

Темная материя — это гипотетическая форма материи, которая должна составлять 85 процентов всей материи во Вселенной и почти треть ее массы и энергии. Мы пока не знаем, что это такое, но знаем, что она существует, потому что обладает массой; однако она не взаимодействует со светом, отсюда и название.

Для попытки обнаружения неуловимых частиц в эксперименте LZ используется резервуар, заполненный сверхчистым жидким ксеноном, расположенный примерно в 1500 метрах (почти в миле) под подземным исследовательским центром Сэнфорд (SURF) в Южной Дакоте. Местоположение имеет значение: на такой большой глубине под землей он защищен от космических лучей, которыми подвергается Земля, и которые стали бы источником помех для детектора. 

Одна из ведущих теорий гласит, что тёмная материя состоит из слабо взаимодействующих массивных частиц, или WIMP-частиц. Эти частицы тяжелее стандартных частиц, из которых состоит наше тело, но вряд ли будут с ними взаимодействовать. Иногда WIMP-частицы сталкиваются с обычной материей, вызывая ядерную отдачу.  Это, в свою очередь, производит свет, который может быть измерен детектором.

Тем не менее, команде необходимо отфильтровать фоновые события. Естественные радиоактивные явления в окружающей среде или в самом детекторе могут быть ошибочно приняты за сигнал.

Обнаруженная частица, получившая обозначение LZ230616, указывает на частицу с массой более чем в 200 раз превышающей массу протона, и это событие произошло таким образом, который не характерен ни для одного известного фонового события.

«Это событие, которое мы обозначили как LZ230616, выделяется на фоне других событий», — заявил ведущий автор исследования Сэм Эриксен из Бристольского университета. «Мы наблюдали это в области пространства параметров, где фоновая активность невероятно низка, и событие ведет себя не так, как мы ожидаем от фонового шума. Проще говоря, это означает, что мы, возможно, обнаружили нечто новое. Одно из объяснений этому — крайне редкий фоновый шум, но другое, более интересное объяснение, заключается в том, что это может быть первым признаком существования темной материи».

Значимость этого события составляет 2,6 сигма, что значительно ниже пятисигмового золотого стандарта в физике элементарных частиц. Это означает, что существует вероятность примерно 1 к 200, что это событие является просто фоновым излучением.

Можно подумать, что 99,5-процентная уверенность в том, что это новая частица, — это довольно высокая степень достоверности, но стали бы вы садиться в машину, которая может взорваться примерно раз в 200 поездок?

Требование пяти сигм необходимо для достижения нужного уровня достоверности. В других экспериментах новые интересные частицы исчезали, как снег на Солнце, по мере сбора большего количества данных. Команда действительно собирается собрать гораздо больше данных. 

«Это одно из событий, зафиксированных в данных, собранных за 370 дней. Чтобы сказать что-либо еще об этом событии или о подобных ему еще не наблюдавшихся событиях, нам необходимо проанализировать больше данных, которые LZ продолжает собирать», — сказал Эриксен. «Даже при наличии всех данных, которые, как ожидается, соберет LZ до 2028 года, взаимодействия с темной материей настолько редки, что мы все равно увидим лишь несколько событий. Мы представляем эти результаты научному сообществу, чтобы получить их мнение о том, что это могло быть за событие».

Гипотеза о темной материи десятилетиями оставалась одной из ведущих, но, несмотря на все наши усилия, подтвердить ее существование и природу нам так и не удалось.

«Мы постепенно создаём всё более крупные и сложные детекторы, и LZ является самым чувствительным из них на сегодняшний день. В ходе наших последних поисков мы зафиксировали событие, которое не похоже ни на один из известных нам фоновых явлений. Это всё ещё может быть крайне редкое фоновое явление, которое никто раньше не наблюдал, но это также может быть первым намёком на наблюдение тёмной материи», — сказал Эриксен.

Новое фоновое событие было бы очень захватывающим, но если это первое убедительное доказательство существования WIMP-частиц, это будет революционно.