Наконец-то? Детектор тёмной материи зафиксировал странные сигналы

Самый чувствительный в мире детектор тёмной материи XENON1T зарегистрировал странные сигналы, которые могут стать ключом к открытию новых частиц. Возможно также, что речь идёт о ранее неизвестных свойствах давно известных частиц, которые не укладываются в Стандартную модель физики элементарных частиц и требуют создания новой физики. Впрочем, вероятность ошибки тоже пока не исключена.

Подробности изложены в препринте научной статьи, опубликованном на сайте arXiv.org коллаборацией, включающей 163 исследователя из 11 стран мира.

Напомним, что детектор XENON1T эксплуатировался с 2016 по 2018 год (но анализ собранных данных продолжается до сих пор).

Инструмент предназначался для поиска вимпов – гипотетических тяжёлых частиц, существование которых давно предполагается теоретиками. Именно они, по мнению многих специалистов, составляют загадочную тёмную материю. XENON1T остаётся самым чувствительным из когда-либо функционировавших детекторов вимпов (хотя уже строятся более мощные установки).

Детектор содержал 3,2 тонны сверхчистого сжиженного ксенона. Аппаратура фиксировала столкновение атомов ксенона с различными частицами (если говорить точнее, фотоны и электроны, образующиеся при этом столкновении).

Инструмент, упрятанный под землю, был настолько хорошо защищён от космических лучей и других источников частиц, что фиксировал лишь 232 столкновения с атомами ксенона в год. При этом происхождение всех частиц тщательно отслеживалось.

В такой ситуации любое превышение числа фиксируемых событий над фоном может говорить об открытии, даже если зафиксированные частицы не являются вимпами. Так, не так давно именно с помощью XENON1T был впервые зафиксирован самый редкий в мире радиоактивный распад атомного ядра. Между прочим, среднее время ожидания такого события в триллион раз (!) превышает возраст Вселенной.

И вот специалисты снова обнаружили в данных детектора нечто неожиданное. Вместо 232 событий в год они получили на 53 события больше.

Частицы, столкнувшиеся с атомами ксенона в этих "добавочных" событиях, не были похожи на вимпы. Так что вряд ли речь идёт о долгожданном открытии тёмной материи. Однако эти данные могут быть ключом к другим не менее волнующим тайнам.

Лучше всего на роль таинственных "гостей" подходят солнечные аксионы. Аксион – ещё одна гипотетическая частица, существование которой давно предполагается теоретиками. Только она не тяжёлая, как вимпы, а лёгкая.

Специалисты считают, что аксионы могут образовываться в термоядерных реакциях в недрах нашей звезды. И полученные данные очень похожи на след подобных "детей Солнца".

Отметим, что, согласно одной из гипотез, тёмная материя состоит именно из аксионов, а не вимпов. Но в данном случае речь идёт об аксионах, родившихся вскоре после Большого взрыва и имеющих иные характеристики, чем солнечные. "Аксионы тёмной материи" не подходят на роль частиц, обнаруженных XENON1T, в отличие от солнечных аксионов.

Поясним, почему регистрация солнечных аксионов также стала бы великим событием (напомним, что пока открытие не проверили сторонние специалисты, а значит, оно не подтверждено). Дело в том, что в этом случае речь идёт о частицах, не предусмотренных Стандартной моделью физики элементарных частиц. Подобное открытие стало бы прорывом за её пределы, о чём давно мечтают учёные.

Если объяснять новые данные именно потоком солнечных аксионов, то статистическая значимость их обнаружения составит 3,5 сигма. Это означает, что результат почти наверняка не является случайной комбинацией шумов. Вероятность такого наложения шумов составляет лишь 0,02%. Однако строгие стандарты физики частиц позволяют говорить об открытии, лишь когда эта вероятность меньше ещё в 200 раз и равна 0,0001% (в этом случае учёные говорят о значимости в 5 сигма).

Другие интерпретации тоже не исключены, хотя имеют несколько меньшую статистическую значимость.

Так, возможно, что речь идёт не о новых частицах, а о неожиданных свойствах уже известных частиц – нейтрино. В Стандартной модели нейтрино считаются частицами, не имеющими магнитного момента. Однако новые данные можно объяснить, если предположить, что у них всё-таки есть магнитный момент (это тоже потребует пересмотра Стандартной модели).

Если интерпретировать новые данные как регистрацию магнитного момента нейтрино, то статистическая значимость результата составит 3,2 сигма.

И, к слову, такую же значимость имеет и самая скучная и нежеланная гипотеза. Это предположение, что в очень хорошо очищенном ксеноне оказалась ничтожная примесь радиоактивного изотопа водорода – трития. Буквально несколько атомов трития на килограмм ксенона (!) могли бы обеспечить такой сигнал. При создании детектора такая возможность не учитывалась, поэтому пока исключить гипотезу о примеси трития невозможно.

Однако учёные уже готовят к запуску инструмент следующего поколения XENONnT. В нём будет втрое больше ксенона, чем в XENON1T, а поток фоновых частиц, как ожидается, будет ниже. Это более чувствительное устройство, как ожидается, поможет понять, чем был вызван загадочный избыток событий на XENON1T, а возможно, и найти те самые вимпы.

К слову, ранее Вести.Ru рассказывали о том, как можно искать тёмную материю с помощью действующих детекторов гравитационных волн.