Разгадка тайны тёмной материи — невидимого вещества, составляющего львиную долю массы во Вселенной, остаётся одной из самых сложных задач в физике. Недавно учёные, работающие с самым чувствительным в мире детектором тёмной материи LUX-ZEPLIN (LZ), сузили круг возможных кандидатов на эту роль, особенно в отношении слабо взаимодействующих массивных частиц, известных как WIMP.
Детектор LZ, управляемый Национальной лабораторией Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab) при поддержке Министерства энергетики США, находится почти в миле под землей в Южной Дакоте, в подземном исследовательском центре Сэнфорда. Благодаря этому устройству учёные смогли исследовать взаимодействия тёмной материи с беспрецедентной точностью, что позволило ещё больше сузить диапазон возможных характеристик WIMP.
Чамкаур Гхаг, представитель проекта LZ и профессор Университетского колледжа Лондона, заявил:
Мы достигли новых мировых рекордов в поиске тёмной материи, значительно превосходя предыдущие результаты. Если бы WIMP находились в области, которую мы исследуем, мы бы смогли их засечь.
В процессе эксперимента учёные не нашли следов WIMP с массой выше 9 гигаэлектронвольт/c² (ГэВ/c²). Для сравнения, масса протона составляет чуть меньше 1 ГэВ/c². Такая чувствительность эксперимента позволила отвергнуть ряд возможных моделей тёмной материи, сократив количество потенциальных мест, где WIMP могли бы скрываться. Результаты исследования были представлены на двух крупных конференциях в конце августа 2024 года: TeV Particle Astrophysics в Чикаго и LIDINE в Сан-Паулу. Научная статья с этими данными скоро будет опубликована.
Исследование базируется на данных, собранных за 280 дней, включая новый набор из 220 дней, начиная с марта 2023 года, и данные первого запуска LZ. В дальнейшем эксперимент планирует собрать данные за 1000 дней до завершения в 2028 году.
Высокая чувствительность детектора LZ объясняется множеством методов снижения фоновых помех — ложных сигналов, которые могут маскироваться под взаимодействия тёмной материи. Детектор защищён от космического излучения, находясь глубоко под землёй, а его компоненты изготовлены из материалов с низким уровнем естественного излучения. Кроме того, сложные методы анализа позволяют исключать фоновые сигналы, особенно от радона, который часто мешает подобным исследованиям.
Интересно, что в этом эксперименте LZ впервые применили технику «соления», когда в данные добавляются ложные сигналы WIMP. Это помогает избежать предвзятости и исключает влияние ожиданий учёных на результаты.
Тёмная материя, которая не излучает, не отражает и не поглощает свет, составляет около 85% массы Вселенной. Несмотря на её огромное влияние на формирование и устойчивость галактик, она до сих пор не была обнаружена напрямую.
LZ использует 10 тонн жидкого ксенона, который выступает как мишень для частиц тёмной материи. Если WIMP ударит ядро ксенона, это вызовет выброс света и электронов, что будет зафиксировано детектором.
Проект LZ — результат усилий около 250 учёных и инженеров из 38 учреждений по всему миру. Команда с нетерпением ожидает анализа следующего набора данных и уже думает о возможных обновлениях детектора, а также о планировании будущих экспериментов.