Рекордный подземный эксперимент сузил поиски темной материи, но загадка остается

Рекордное исследование, проведенное с помощью детектора частиц, расположенного на глубине мили под землей в Южной Дакоте, возможно, позволило получить новые данные о темной материи — таинственной субстанции, которая, как полагают, составляет большую часть материи во Вселенной.

В эксперименте под названием LUX-ZEPLIN (LZ) была использована крупнейшая в своем роде база данных, что позволило с беспрецедентной чувствительностью ограничить потенциальные свойства одного из главных кандидатов на роль темной материи. Исследование не выявило никаких свидетельств существования этой таинственной субстанции, но поможет будущим научным работам избежать ложных обнаружений и точнее сфокусироваться на этой плохо изученной составляющей нашей Вселенной.

«Эта миссия — попытка решить огромную проблему, заполнить колоссальный пробел в нашем понимании устройства Вселенной», — заявил Live Science Рик Гейтскелл, глава группы физики частиц и астрофизики в Университете Брауна и член исследовательской команды LZ.

Результаты, обнародованные в понедельник (8 декабря), были направлены в журнал Physical Review Letters и доступны в виде препринта на arXiv. Их также представили на научном семинаре в подземной исследовательской лаборатории Санфорда, где размещен детектор LZ. Руководит исследованием Даниэль Акериб, профессор физики частиц из Национальной ускорительной лаборатории SLAC в Калифорнии.

WIMP против нейтрино

Перед новой работой у команды было две цели: прояснить свойства низкоэнергетической «разновидности» предполагаемых частиц темной материи, называемых слабовзаимодействующими массивными частицами (вимпами, WIMP), и проверить, способен ли детектор регистрировать солнечные нейтрино — почти невесомые субатомные частицы, рождающиеся в ядерных реакциях внутри Солнца. Ученые предполагали, что сигнатура обнаружения этих частиц может быть похожа на предсказанную некоторыми моделями темной материи, но для уверенности им нужно было сначала «увидеть» сами солнечные нейтрино.

Перед экспериментом, который длился 417 дней с марта 2023 по апрель 2025 года, чувствительность детектора была повышена для поиска редких взаимодействий с фундаментальными частицами. Главной ареной действий стала цилиндрическая камера, заполненная жидким ксеноном. Исследователи следили за столкновениями с атомами ксенона либо вимпов, либо нейтрино, каждое из которых порождает вспышки фотонов вместе с положительно заряженными электронами.

Эксперимент продвинул науку в обоих направлениях. Что касается нейтрино, ученые укрепили уверенность в том, что один из типов солнечных нейтрино, известный как бор-8, действительно взаимодействует с ксеноном. Эти знания помогут будущим исследованиям избежать ложных обнаружений темной материи.

Обычно физические открытия должны достичь уровня достоверности в «5 сигм», чтобы считаться состоявшимися. Новая работа достигла уровня в 4,5 сигмы — значительный прогресс по сравнению с результатами менее 3 сигм, о которых сообщалось в прошлом году по двум другим детекторам. И это особенно впечатляет, учитывая, что регистрация нейтрино бор-8 происходит в детекторе всего около одного раза в месяц, даже при наблюдении за 10 тоннами ксенона, отметил Гейтскелл.

Однако в отношении темной материи исследователи не нашли ничего определенного для низкоэнергетических типов вимпов, которые они искали. Ученые бы сразу поняли, если бы увидели такой сигнал, заявила команда: если вимп сталкивается с ядром атома ксенона, энергия столкновения создает характерную сигнатуру, как предсказывают лучшие модели.

«Если взять атомное ядро, темная материя может прилететь и фактически одновременно провзаимодействовать со всем ядром, заставив его отскочить», — объяснил Гейтскелл. — «Это называется когерентным рассеянием. У него особая сигнатура в ксеноне. Именно эти когерентные ядерные отскоки мы ищем».

Команде не удалось зарегистрировать эту сигнатуру в своем эксперименте.

Удвоение времени наблюдений

Следующий, более длительный сеанс наблюдений начнется в 2028 году, когда детектор, как ожидается, будет собирать данные в течение рекордных 1000 дней. Более долгие сеансы дают исследователям больше шансов зафиксировать редкие события.

Детектор будет охотиться не только за солнечными нейтрино или взаимодействиями вимпов, но и за другой физикой, которая может выходить за рамки Стандартной модели физики частиц, описывающей большую часть окружающей нас среды.

Гейтскелл подчеркнул, что задача науки — продолжать двигаться вперед даже тогда, когда возникают «негативные» результаты.

«Я усвоил одну вещь: никогда не думайте, что природа устроена именно так, как вам кажется», — сказал Гейтскелл, изучающий темную материю уже более четырех десятилетий. — «Существует множество элегантных [решений], о которых можно сказать: «Это так красиво. Это должно быть правдой». Мы их проверили… и оказалось, что природа проигнорировала их и не захотела идти по этому пути».

Несмотря на отсутствие прямого обнаружения, результаты LZ стали важным вехой, значительно «очистив» поле для дальнейших поисков. Исключив целый диапазон масс и свойств для низкоэнергетических вимпов, ученые теперь могут сосредоточить усилия и ресурсы на других, возможно, более экзотических кандидатах, таких как аксионы или первичные черные дыры. Кроме того, подтверждение детекции солнечных нейтрино бор-8 открывает новое окно в нейтринную астрономию с использованием ксеноновых детекторов, позволяя изучать процессы в недрах Солнца с невиданной ранее точностью. Таким образом, даже «нулевой» результат в главной цели превращается в мощный инструмент для картографирования неизведанных территорий фундаментальной физики и постепенного разгадывания величайших тайн мироздания.