Детектор глубоко под землей уловил то, чего физики ждали десятилетиями
Подземный детектор в США уловил сигнал, который физики пока не могут объяснить известными законами природы
Ученые пытаются разгадать природу темной материи уже почти столетие, и новейший сигнал из подземной лаборатории заставил их заговорить о возможном прорыве.
Одна-единственная вспышка в резервуаре с жидким ксеноном вызвала волну осторожного восторга среди физиков по всему миру.
В июне 2023 года детектор LUX-ZEPLIN, скрытый почти на полтора километра под землей в Южной Дакоте, зафиксировал событие, которое теперь называют наиболее интригующей находкой за всю историю проекта. Тогда это походило на обычный день наблюдений. Но подробный анализ данных, обнародованный в этом месяце, показал, что объяснить событие известными физике процессами практически невозможно.
Новый анализ данных LUX-ZEPLIN, как пишет издание Science News, обнаружил одно-единственное взаимодействие частиц, которое согласуется с характеристиками темной материи. Исследователи представили результаты на конференции по физике частиц в Японии, однако отмечают, что одно событие еще ничего не доказывает.
Речь идет о возможном первом прямом доказательстве существования темной материи, невидимой субстанции, которую ученые ищут десятилетиями. Прямая регистрация темной материи никогда раньше не удавалась никому, хотя о ее существовании свидетельствует гравитационное влияние на галактики и движение звезд. Детектор LZ ищет особый класс частиц, так называемые слабо взаимодействующие массивные частицы или WIMP, которые теоретически могут врезаться в ядра атомов ксенона.
Когда частица темной материи теоретически сталкивается с ядром ксенона, она заставляет это ядро "отскочить", как бильярдный шар. Такой удар порождает вспышку света и высвобождает электроны, фиксирующие сверхчувствительные сенсоры детектора. Именно такую двойную картину сигналов и исследователи после тщательного просмотра данных за 220 дней наблюдений.
"Мы получили одно событие, и это просто удивительно, совершенно удивительно", - сказал спикер LZ, физик Брауновского университета Рик Гейтскелл.
По оценкам физиков, вероятность того, что обычные известные частицы случайно создали бы такой сигнал, составляет примерно один шанс из ста. Это соответствует статистической значимости 2,6 сигмы. Для официального признания научного открытия требуется пять сигма, а для предварительного "доказательства" – три. Так что результат пока не дотягивает даже до низшего порога.
Интересно, что предварительный анализ тех же данных, направленный на поиск "классических" слабых сигналов от WIMP, не дал никакого результата. Новая находка же касается гипотетического варианта темной материи, толкающего ядро атома с особо высокой энергией. Теоретически частицы темной материи могут иметь различные энергетические состояния, подобно обычному атому, и взаимодействовать только тогда, когда энергии достаточно для перехода на более высокий уровень.
Для такого типа взаимодействия события ожидаются преимущественно летом, когда Земля движется навстречу потоку темной материи галактики, что приводит к столкновению с более высокой энергией. Это делает событие в июне особенно показательным, отмечает теоретический физик Нил Вайнер из Нью-Йоркского университета.
Реакция научного общества осторожна, но очевидно заинтересована. Теоретический физик Вик Гакстон из Калифорнийского университета в Беркли, не участвовавший в исследовании, назвал это самым интересным событием за последнее время и предсказал, что событие в ближайшее время начнут изучать десятки других ученых. В то же время физик Дэн Гупер из Университета Висконсин-Мэдисон напомнил, что речь идет только об одном событии, поэтому никто наверняка не знает, что происходит на самом деле, хотя признал это "интригующим".
История физики темной материи уже знала громкие надежды, впоследствии рассеивавшиеся. Так, в 2020 году эксперимент XENON1T увидел возможный признак неизвестных новых частиц, который впоследствии опроверг его преемник. Поэтому ученые сейчас пытаются не спешить с выводами и ждут новых данных, которые подтвердят или опровергнут июньскую находку.
Несмотря на осторожность, сам факт того, что сверхчувствительный детектор способен улавливать столь редкие события, подтверждает огромный потенциал подобных экспериментов. Если находка действительно окажется темной материей, это станет одним из важнейших открытий в физике за последние десятилетия, способным наконец-то объяснить, из чего состоит почти 85 процентов всей материи во Вселенной.
