Детектор глибоко під землею вловив те, чого фізики чекали десятиліттями
Підземний детектор у США вловив сигнал, який фізики поки не можуть пояснити відомими законами природи
Науковці намагаються розгадати природу темної матерії вже майже століття, і найновіший сигнал з підземної лабораторії змусив їх заговорити про можливий прорив.
Один-єдиний спалах у резервуарі з рідким ксеноном викликав хвилю обережного захвату серед фізиків по всьому світу.
У червні 2023 року детектор LUX-ZEPLIN, схований майже на півтора кілометра під землею в Південній Дакоті, зафіксував подію, яку тепер називають найбільш інтригуючою знахідкою за всю історію проєкту. Тоді це виглядало як звичайний день спостережень. Але детальний аналіз даних, оприлюднений цього місяця, показав, що пояснити подію відомими фізиці процесами практично неможливо.
Новий аналіз даних LUX-ZEPLIN, як пише видання Science News, виявив одну-єдину взаємодію частинок, яка узгоджується з характеристиками темної матерії. Дослідники представили результати на конференції з фізики частинок у Японії, проте наголошують, що одна подія ще нічого не доводить.
Йдеться про можливий перший прямий доказ існування темної матерії, невидимої субстанції, яку вчені шукають десятиліттями. Пряма реєстрація темної матерії ніколи раніше не вдавалася нікому, хоча про її існування свідчить гравітаційний вплив на галактики та рух зірок. Детектор LZ шукає особливий клас частинок, так звані слабо взаємодіючі масивні частинки, або WIMP, які теоретично можуть врізатися в ядра атомів ксенону.
Коли частинка темної матерії теоретично зіштовхується з ядром ксенону, вона змушує це ядро "відскочити", наче більярдну кулю. Такий удар породжує спалах світла і вивільняє електрони, які фіксують надчутливі сенсори детектора. Саме таку подвійну картину сигналів і побачили дослідники після ретельного перегляду даних за 220 днів спостережень.
"Ми отримали одну подію, і це просто дивовижно, абсолютно дивовижно", - сказав речник LZ, фізик Браунівського університету Рік Гейтскелл.
За оцінками фізиків, ймовірність того, що звичайні відомі частинки випадково створили б такий сигнал, становить приблизно один шанс зі ста. Це відповідає статистичній значущості 2,6 сигма. Для офіційного визнання наукового відкриття потрібно п'ять сигма, а для попереднього "доказу" - три. Тож результат поки не дотягує навіть до нижчого порогу.
Цікаво, що попередній аналіз тих самих даних, спрямований на пошук "класичних" слабких сигналів від WIMP, не дав жодного результату. Натомість нова знахідка стосується гіпотетичного варіанту темної матерії, який штовхає ядро атома з особливо високою енергією. Теоретично частинки темної матерії можуть мати різні енергетичні стани, подібно до звичайного атома, і взаємодіяти лише тоді, коли енергії достатньо для переходу на вищий рівень.
Для такого типу взаємодії події очікуються переважно влітку, коли Земля рухається назустріч потоку темної матерії галактики, що спричиняє зіткнення з вищою енергією. Це робить подію в червні особливо показовою, зазначає теоретичний фізик Ніл Вайнер з Нью-Йоркського університету.
Реакція наукової спільноти обережна, але явно зацікавлена. Теоретичний фізик Вік Гакстон з Каліфорнійського університету в Берклі, який не брав участі в дослідженні, назвав це найцікавішою подією за останній час і передбачив, що подію найближчим часом почнуть вивчати десятки інших науковців. Водночас фізик Ден Гупер з Університету Вісконсину-Медісон нагадав, що йдеться лише про одну подію, тож ніхто напевно не знає, що відбувається насправді, хоча визнав це "інтригуючим".
Історія фізики темної матерії вже знала гучні надії, які згодом розвіювались. Так, у 2020 році експеримент XENON1T побачив можливу ознаку невідомих нових частинок, яку згодом спростував його наступник. Тому науковці зараз намагаються не поспішати з висновками і чекають на нові дані, які підтвердять або спростують червневу знахідку.
Попри обережність, сам факт того, що надчутливий детектор здатний вловлювати настільки рідкісні події, підтверджує величезний потенціал подібних експериментів. Якщо знахідка справді виявиться темною матерією, це стане одним з найважливіших відкриттів у фізиці за останні десятиліття, здатним нарешті пояснити, з чого складається майже 85 відсотків всієї матерії у Всесвіті.
