Детектор LUX-ZEPLIN представляет собой цилиндрическую камеру с 10 тоннами жидкого ксенона. Исследователи следили за вспышками фотонов и появлением заряженных электронов, которые возникают при столкновении частиц с атомами ксенона. Эксперимент длился с марта 2023 года по апрель 2025-го и установил новые ограничения на свойства легких вимпов.
Темная материя ускользнула от крупнейшего детектора во время масштабного эксперимента
Ученые из Брауновского университета и международной коллаборации LUX-ZEPLIN провели рекордное исследование темной материи с помощью детектора, расположенного на глубине полтора километра в Южной Дакоте. За 417 дней наблюдений физики не обнаружили следов вимпов — слабовзаимодействующих массивных частиц, которые считаются главными кандидатами на роль темной материи, но зато впервые с высокой достоверностью зарегистрировали солнечные нейтрино.
Моделирование скоплений галактик (в центре), соединенных газом (справа) и невидимой темной материей (слева). ESA
Слабовзаимодействующие массивные частицы, или вимпы, — это гипотетические частицы, которые взаимодействуют с обычной материей только через гравитацию и слабое ядерное взаимодействие. Темная материя составляет около 85% всей материи во Вселенной, но не испускает света и не поглощает его, поэтому обнаружить ее можно только по гравитационному влиянию на видимые объекты. Вимпы найти не удалось, но были с высокой достоверностью зарегистрированы солнечные нейтрино, а это очень трудная задача. Даже в огромном детекторе с 10 тоннами ксенона столкновения происходят крайне редко — нейтрино типа бор-8 регистрируются примерно раз в месяц. Для подтверждения открытия в физике элементарных частиц требуется достичь уровня достоверности 5 сигма, что означает вероятность случайной флуктуации менее одного к трем с половиной миллионам.
Основной детектор LUX-ZEPLIN в наземной лаборатории перед установкой под землей.
Команда достигла важного прогресса в регистрации солнечных нейтрино типа бор-8. Уровень достоверности составил 4,5 сигма — это значительное улучшение по сравнению с результатами других детекторов, где показатель не превышал 3 сигма. Это критически важно, поскольку сигналы от нейтрино легко спутать со следами темной материи, и их уверенная идентификация поможет избежать ошибок в будущем. Результаты опубликованы на сервере препринтов arXiv.
Устройства для усиления света, известные как фотоумножительные трубки (PMT), разработанные для использования в эксперименте по поиску темной материи LUX-ZEPLIN (LZ), готовятся к испытаниям в Университете Брауна.
«Если частица темной материи попадает в ядро, она рассеивается на всем ядре и заставляет его отклониться», — объясняет Рик Гайтскелл, руководитель группы физики частиц в Брауновском университете. — «Это называется когерентным рассеянием. У него особая сигнатура в ксеноне. Именно такие когерентные ядерные отклонения мы и ищем».
Продолжение эксперимента
Вид «рыбьим глазом» на резервуар с водой, в котором установлен детектор LUX и уже внутри его установлен детектор LZ. Диаметр резервуара составляет 8 метров, высота — 6 метров, он заполнен высокоочищенной водой.
Детектор продолжит работу до 2028 года. К концу набора данных будут накоплены рекордные 1000 дней наблюдений, что увеличит шансы поймать такое редкое событие как вимп. Исследователи будут искать не только вимпы и нейтрино, но и другие явления, выходящие за рамки Стандартной модели физики элементарных частиц.
Гайтскелл, изучающий темную материю более 40 лет, подчеркивает важность продолжения поиска даже при отрицательных результатах: «Никогда не предполагайте, что природа делает вещи именно так, как вы думаете. Есть множество элегантных решений, о которых хочется сказать: это так красиво, это должно быть правдой. Мы проверяли их... и оказалось, что природа проигнорировала всю эту красоту и не захотела идти по этому пути».