Эксперимент LUX-ZEPLIN зарегистрировал возможный первый след частицы темной материи
Участники международного эксперимента LUX-ZEPLIN (LZ) сообщили о регистрации необычного взаимодействия частицы с атомом ксенона, которое пока не удается объяснить известными фоновыми процессами. Событие может быть связано с WIMP – гипотетической массивной слабовзаимодействующей частицей, считающейся одним из основных кандидатов на роль темной материи. Однако статистическая значимость результата составляет лишь около 2,6 сигма, поэтому говорить об открытии пока нельзя.
Событие, получившее обозначение LZ230616, было зарегистрировано 16 июня 2023 года и обнаружено при новом анализе 220 суток наблюдений, собранных с марта 2023-го по апрель 2024 года. Детектор LZ расположен почти в полутора километрах под землей в бывшей золотой шахте Sanford Underground Research Facility в Южной Дакоте и содержит около 10 тонн сверхчистого жидкого ксенона. При столкновении частицы с ядром ксенона возникает ядерная отдача и слабая вспышка света, по параметрам которой можно восстановить характер взаимодействия.
Новое исследование было посвящено более широкому диапазону возможных взаимодействий WIMP, чем предыдущие поиски LZ. Зарегистрированное событие оказалось в области энергий, где ожидаемый фон чрезвычайно мал, и не сопровождалось сигналами во внешних детекторах, которые могли бы указать на обычное происхождение частицы. Если это действительно WIMP, его масса, по расчетам исследователей, должна превышать примерно 200 ГэВ/c² – то есть быть более чем в 200 раз больше массы протона. Кроме того, характер столкновения не соответствует простейшей модели взаимодействия WIMP с обычным веществом.
Ведущий автор работы Сэм Эриксен из Бристольского университета назвал результат возможным "первым шагом" к наблюдению темной материи как частицы, но подчеркнул, что речь идет всего об одном событии. По оценке Бристольского университета, вероятность получить столь необычный результат за счет случайного фонового процесса составляет примерно 1 к 200 – этого совершенно недостаточно для принятого в физике частиц уровня достоверности открытия. Команда продолжает проверять возможные альтернативные объяснения, включая редкие радиоактивные и нейтринные процессы.
Темная материя, существование которой пока установлено только по ее гравитационному воздействию на галактики и крупномасштабную структуру Вселенной, составляет около 85% всей материи. LZ продолжает сбор данных, причем исследователям уже доступен новый массив наблюдений примерно вдвое большего объема, чем тот, в котором было найдено LZ230616. Именно он должен показать, появятся ли новые события с такими же характеристиками: их обнаружение резко повысит вероятность того, что LZ действительно впервые зарегистрировал частицу темной материи, тогда как отсутствие повторений усилит альтернативные объяснения.