«Апостериори»: Детектор тёмной материи зарегистрировал событие, которое пока не удалось объяснить известными источниками фона

Новости науки и технологий

Поддержите «Эхо», если вы не в России

Эксперимент LUX-ZEPLIN зарегистрировал необычное столкновение с ядром атома ксенона. Его характеристики соответствуют некоторым моделям взаимодействия частиц тёмной материи с обычным веществом. Однако пока исследователи наблюдали только одно такое событие, поэтому его происхождение остаётся неизвестным.

LUX-ZEPLIN, или LZ, – один из крупнейших в мире экспериментов по прямому поиску тёмной материи. Детектор расположен примерно в полутора километрах под землёй в бывшей золотой шахте в Южной Дакоте. Его основная часть содержит семь тонн жидкого ксенона. Учёные пытаются зарегистрировать крайне редкие случаи, когда неизвестная частица тёмной материи сталкивается с ядром атома ксенона и передаёт ему часть своей энергии.

Большинство предыдущих экспериментов было рассчитано на сравнительно небольшие энергии отдачи ядра – обычно до примерно 100 килоэлектронвольт. Но существуют модели тёмной материи, в которых столкновения могут происходить при значительно больших энергиях. Поэтому в новой работе коллаборация LZ расширила область поиска примерно до 270 килоэлектронвольт.

Исследователи проанализировали 220 дней наблюдений, собранных с марта 2023 по апрель 2024 года. После отбора данных среди примерно 1700 событий одно резко выделилось на фоне остальных. Оно было зарегистрировано 16 июня 2023 года и соответствует отдаче ядра с энергией около 248 килоэлектронвольт.

Чтобы отличать потенциальные столкновения с тёмной материей от обычных частиц, LZ измеряет два сигнала. При взаимодействии частицы с жидким ксеноном возникает короткая вспышка света, а освободившиеся электроны под действием электрического поля перемещаются вверх и создают второй световой сигнал. Соотношение между ними позволяет определить, произошло ли взаимодействие преимущественно с электронами атома или с его ядром.

Необычное событие оказалось гораздо ближе к ожидаемому сигналу от отдачи ядра. При этом именно в этой области энергий ожидаемый фон особенно мал. Исследователи рассмотрели несколько возможных его источников – случайное совпадение сигналов, взаимодействие атмосферных нейтрино, нейтроны, возникающие из-за радиоактивности материалов детектора, и более редкие эффекты, связанные с особенностями регистрации событий. Ни один из них не удалось определить как вероятное объяснение наблюдения.

Например, чтобы передать ядру ксенона около 250 килоэлектронвольт, нейтрон должен обладать энергией как минимум около 8 мегаэлектронвольт. Но при таких энергиях он, скорее всего, вызвал бы и другие столкновения, в том числе с меньшей энергией, либо был бы зарегистрирован окружающими детектор системами. Ничего подобного рядом с интересующим исследователей событием обнаружено не было.

Некоторые рассмотренные авторами модели тёмной материи действительно способны объяснить такой сигнал. В частности, речь идёт о моделях, в которых вероятность взаимодействия возрастает при больших переданных импульсах, а также о неупругом рассеянии. В последнем случае частица тёмной материи при столкновении не просто передаёт энергию ядру, но одновременно переходит из одного состояния в другое. Это может подавлять столкновения при низких энергиях и, наоборот, делать относительно высокоэнергетические события более заметными.

Для наиболее подходящих моделей локальная статистическая значимость результата достигает 3,4 сигма. Однако исследователи проверяли большое число разных вариантов взаимодействия и параметров. После поправки на вероятность случайно обнаружить отклонение хотя бы в одном из них глобальная значимость снижается до 2,6 сигма. Этого недостаточно, чтобы говорить об обнаружении тёмной материи.

Тем не менее результат уже привлёк внимание теоретиков. После его публикации появилось несколько работ, в которых исследователи предложили различные модели тёмной материи, способные объяснить столкновение с настолько большой энергией. В частности, рассматриваются сценарии, в которых частица при столкновении переходит в более тяжёлое или, наоборот, более лёгкое состояние. Пока эти работы показывают только то, что наблюдение может быть совместимо с новой физикой, но не позволяют установить его происхождение.

Проверить это помогут новые данные. Использованные в исследовании наблюдения заканчиваются 1 апреля 2024 года, однако LZ продолжил работу после этой даты при тех же условиях. Если необычное событие оказалось редкой статистической случайностью или неизвестным фоном, оно может так и остаться единственным. Если же за ним действительно стоит новый тип взаимодействия частиц, увеличение объёма данных должно привести к появлению новых событий с похожими характеристиками.