Детектор LUX-ZEPLIN зафіксував незвичний можливий слід темної матерії

Як влаштований детектор LZ

LUX-ZEPLIN об’єднує близько 250 науковців та інженерів із 39 установ. Детектор працює майже за кілометр під поверхнею в підземній лабораторії Sanford Underground Research Facility у Південній Дакоті й керується Національною лабораторією ім. Лоуренса Берклі.

У центрі установки — близько 10 тонн надзвичайно чистого рідкого ксенону. Саме в цьому середовищі вчені шукають сліди можливих зіткнень темної матерії з атомами ксенону, насамперед гіпотетичних частинок WIMP (weakly interacting massive particles — слабковзаємодіючі масивні частинки).

Результати нового аналізу представили на конференції з астрофізики частинок TeV 2026 у Японії. Статтю планують розмістити в архіві arXiv і подати до журналу Physical Review Letters.

За словами речника LZ, професора Ріка Гейтскелла (Rick Gaitskell) з Університету Брауна, подія з’явилася саме в тій області параметрів, де очікують сигнал від темної матерії, а рівень фонових процесів там дуже низький. Водночас дослідники наголошують, що поки не заявляють про відкриття темної матерії, а лише про «щось цікаве», що потребує уваги наукової спільноти.

Розширений пошук WIMP у даних LZ

Команда LZ аналізує дані окремими вибірками. У цьому дослідженні вивчали 220 «живих» діб спостережень, зібраних між березнем 2023 року та квітнем 2024 року.

Раніше цей самий набір даних уже перевіряли на наявність дуже слабких сигналів від найпростіших сценаріїв взаємодії WIMP. Тепер же вчені розширили пошук, включивши й інші можливі типи зіткнень, які можуть вивільняти більшу енергію в детекторі. LZ особливо добре пристосований до виявлення саме таких подій, зберігаючи при цьому низьку ймовірність хибних спрацьовувань.

Головний автор роботи Сем Еріксен (Sam Eriksen) з Брістольського університету зазначає, що команда витратила місяці на детальне вивчення всіх можливих джерел фону в цій новій області параметрів. Детектор і фонові процеси вивчені настільки добре, що навіть одна «видатна» подія може мати велике значення, адже очікується, що справжні сигнали від темної матерії будуть надзвичайно рідкісними.

Що може означати загадкова подія

Якщо припустити, що незвичний сигнал справді спричинила частинка темної матерії, то маса відповідної WIMP мала б бути не меншою за 200 ГеВ/с², тобто понад у 200 разів більшою за масу протона.

Такий результат також вказував би на специфічний тип взаємодії між WIMP і звичайною речовиною, який виходить за межі найпростіших моделей, що зазвичай перевіряють у подібних експериментах.

Однак статистичної значущості для оголошення відкриття поки немає. У фізиці частинок зазвичай вимагають рівня «5 сигма», щоб говорити про відкриття. Новий аналіз LZ досягає 2,6 сигма, що відповідає приблизно 0,5% ймовірності того, що подію могли спричинити вже відомі фонові процеси.

Подальші спостереження покажуть, чи зростатиме значущість сигналу з накопиченням даних, чи він «розчиниться» у статистичному шумі. LZ уже має найбільший у світі масив даних для пошуку темної матерії й продовжує збирати інформацію в SURF.

Як LZ шукає невидиму матерію

Темну матерію не можна побачити безпосередньо, тому LZ шукає непрямі ознаки зіткнення частинок. Коли в рідкому ксеноні відкладається енергія, він може випромінювати характерні спалахи світла, які реєструють чутливі фотопомножувачі.

Основна складність — відрізнити можливий сигнал темної матерії від подій, спричинених звичайними частинками. Для цього LZ використовує кілька рівнів захисту й аналізу.

Майже кілометр гірської породи над установкою блокує більшу частину космічного випромінювання. Додатковий водяний бак і зовнішні детектори екранують центральний прилад від нейтронів та інших фонових частинок. Далі вчені застосовують складні обчислювальні методи, щоб розрізняти типи взаємодій і відкидати події, які лише імітують очікуваний сигнал від темної матерії.

Подія-виключення, що витримала перевірку

Для настільки чутливих експериментів поодинокі «дивні» події — не рідкість. Зазвичай детальний аналіз зрештою виявляє цілком звичайне пояснення. Особливість нинішньої події в тому, що досі не вдалося знайти переконливий фоновий механізм, який би її пояснив.

Фізик Аарон Маналайсей (Aaron Manalaysay) з лабораторії Берклі, голова Інституційної ради LZ, зазначає, що це перший випадок у його практиці, коли одинична «аномалія» виглядає коректною з усіх боків і не розкривається як типовий фон після додаткових перевірок. Водночас команда продовжує шукати можливі рідкісні фонові процеси, які могли бути пропущені.

Чи виявиться ця подія першим натяком на спостереження темної матерії, залежатиме від того, що покаже LZ у наступні роки роботи та наскільки послідовними будуть нові дані.

Детектор LUX-ZEPLIN зафіксував незвичний можливий слід темної матерії з’явилася спочатку на Цікавості.

cikavosti.com