Крупнейший в мире детектор темной материи поймал одиночный аномальный сигнал: что зафиксировал LUX-ZEPLIN
Международная группа эксперимента LUX-ZEPLIN, работающая на самой чувствительной в мире установке для поиска темной материи, зафиксировала событие, которое не вписывается в стандартные представления о поведении частиц. Детектор, расположенный в подземной лаборатории SURF в Южной Дакоте на глубине почти полтора километра в стволе бывшей золотой шахты, за 220 дней непрерывных наблюдений зарегистрировал одиночный сигнал с энергией 248 килоэлектронвольт. Это неожиданно большая величина: стандартные поисковые программы ориентированы на гораздо более слабые воздействия, а в диапазоне около 250 килоэлектронвольт расчетный уровень фоновых помех составляет всего около одной сотой события на весь объем данных.
Само по себе событие выглядит как упругое столкновение неизвестной частицы с ядром ксенона. Локальная статистическая достоверность сигнала достигла 3,4 стандартных отклонений, что означает вероятность случайного появления такого шума менее одной десятой процента. Однако с учетом поправки на множественную проверку гипотез значимость снижается до 2,6 сигма — это еще не открытие, но уже серьезный повод для пересмотра теоретических моделей.
Центральный элемент эксперимента — двухфазная время-проекционная камера с семью тоннами жидкого ксенона, охлажденного до минус ста градусов. При столкновении частица передает энергию атомам ксенона, вызывая первичную вспышку ультрафиолетового света, а затем освобожденные электроны поднимаются электрическим полем в газовую фазу, создавая вторичный сигнал. Соотношение амплитуд этих двух импульсов позволяет однозначно отличить ядерную отдачу от электронного шума. Зарегистрированное событие легло точно в полосу ядерных отдач, удалившись на 6,7 сигма от центра полосы электронного шума — вероятность перепутать его с обычным бета-распадом исчезающе мала.
Почему физики вообще расширили окно поиска до 270 килоэлектронвольт? Десятилетия поисков в низкоэнергетической зоне не принесли результатов, а новые теоретические подходы — нерелятивистская эффективная теория поля и модели неупругой темной материи — предсказывают, что спектр соударений может иметь максимум не вблизи нуля, а в диапазоне от 100 до 250 килоэлектронвольт. В моделях неупругой темной материи частица при столкновении переходит в более тяжелое состояние, поглощая часть кинетической энергии, что делает легкие соударения физически невозможными.
Исследователи провели тщательную проверку всех возможных источников помех. Быстрые нейтроны, способные передать ядру ксенона такую энергию, неизбежно попали бы во внешнюю защитную систему — она молчала. Мюоны космического происхождения прошли через детектор за 41 минуту до события. Калибровочный источник кобальта-57 находился на противоположной стороне бака, а его излучение полностью поглощается первыми миллиметрами жидкого ксенона. Суммарный расчетный уровень всех известных фоновых процессов в этой области параметров составляет всего 0,0106 события за все время наблюдений.
Сигнал был зарегистрирован 16 июня 2023 года в 21:22:39 по всемирному времени. Он возник глубоко внутри рабочего объема, вдали от стенок и электродов, где обычно накапливаются следы радиоактивности. Форма импульсов подтвердила, что взаимодействие произошло в одной компактной точке.
Статус официального открытия в физике элементарных частиц присваивается только результатам, достигшим порога в пять сигма. Однако публикация этих данных имеет фундаментальное значение. Эксперимент установил наиболее жесткие в мировой практике верхние пределы на силу связи частиц темной материи с ядрами для широкого класса расширенных теорий. Детектор продолжает сбор данных с 1 апреля 2024 года, и дальнейшая статистика разрешит интригу: если единичный всплеск был редкой флуктуацией фона, он растворится в растущем массиве наблюдений; если же он отражает реальные процессы, в детекторе неизбежно появятся новые события с высокой энергией отдачи.
