Фото: Светлана Мулыкина

Американский детектор LUX-ZEPLIN (LZ), расположенный примерно на полуторакилометровой глубине в Южной Дакоте, зарегистрировал редкое событие, которое заинтересовало физиков. В данных, собранных за несколько лет работы установки, обнаружили импульс с энергией около 248 килоэлектронвольт. Его характеристики допускают связь с тяжелой частицей темной материи, однако ученые пока не рассматривают находку как доказательство ее существования.

Установка работает в исследовательской лаборатории Sanford. Размещение глубоко под землей необходимо для защиты чувствительного оборудования от космического излучения и других источников фоновых сигналов. Они способны имитировать взаимодействия, которые физики пытаются обнаружить.

Как работает детектор LUX-ZEPLIN

Основной объем установки заполнен примерно семью тоннами очищенного жидкого ксенона. Ученые используют этот материал в качестве мишени для гипотетических частиц темной материи.

Если такая частица действительно взаимодействует с ядром ксенона, выделяется небольшое количество энергии. Она проявляется в виде последовательных сигналов: сначала возникает вспышка света, а затем электролюминесцентный импульс. Эти изменения фиксируют сотни высокочувствительных фотодатчиков, установленных в верхней и нижней частях детектора.

Чтобы снизить вероятность ложных срабатываний, ксенон проходит многоступенчатую очистку, а сама установка изолирована от значительной части внешнего излучения. Даже при таких условиях поиск остается крайне сложным: предполагаемые частицы темной материи должны взаимодействовать с обычным веществом очень редко.

Что показал необычный импульс

Исследователи проанализировали данные примерно трех лет наблюдений. Среди множества зарегистрированных событий оказалось столкновение, при котором ядро получило энергию около 248 килоэлектронвольт.

Особый интерес представляет не только сама энергия импульса, но и сочетание его характеристик. Статистический анализ показал, что событие отличается от ожидаемого фонового уровня. Теоретически подобный сигнал может соответствовать взаимодействию с тяжелой частицей темной материи.

Однако ученые подчеркивают: речь пока идет только о возможном кандидате. Одного необычного события недостаточно, чтобы исключить случайную статистическую флуктуацию или неизвестный источник фонового сигнала.

Для научного подтверждения потребуется гораздо больше наблюдений. Если в последующих данных будут обнаружены другие события с сопоставимыми параметрами, гипотеза о связи сигнала с темной материей станет значительно убедительнее.

Почему темную материю так трудно обнаружить

Темная материя остается одной из главных загадок современной физики. Считается, что на нее приходится около 85% всей материи Вселенной. При этом непосредственно зарегистрировать составляющие ее частицы ученым пока не удалось.

О существовании темной материи судят по ее гравитационному воздействию. Например, ее присутствие помогает объяснить особенности движения галактик и распределения вещества в космосе. Но определить, из каких именно частиц состоит эта невидимая форма материи, до сих пор не удалось.

Именно поэтому эксперименты вроде LUX-ZEPLIN имеют большое значение. Их задача — обнаружить крайне редкие случаи, когда предполагаемая частица темной материи все же сталкивается с обычным веществом.

Поиск продолжится

Международная команда LUX-ZEPLIN объединяет около 250 исследователей. Ученые планируют продолжать наблюдения и значительно увеличить объем накопленных данных.

В дальнейшем исследователи рассчитывают получить около 1000 дней чистых наблюдений. Такой массив информации позволит лучше оценить природу необычного импульса и проверить, повторяются ли события с похожими характеристиками.

Пока зарегистрированный сигнал остается лишь потенциальным указанием на неизвестный физический процесс. Если аналогичные события будут обнаружены снова и их происхождение удастся надежно отделить от фоновых эффектов, это может стать важным шагом в прямом поиске темной материи.