Темная материя посылает странные сигналы: неожиданный эксперимент

Эксперимент, целью которого был поиск таинственной темной материи, подарил ученым несколько необычных сигналов — и теперь научное сообщество в замешательстве.

С 2016 по 2018 годы исследователи разрабатывали эксперимент под названием XENON1T, предназначение которого заключалось в раскрытии тайны темной материи. Поскольку, по предположениям ученых, это вещества должно присутствовать практически повсюду, XENON1T должен были искать редкие свидетельства того, когда ее частицы вступают во взаимодействие с «обычной» материей.

Для этого ученые установили оборудование напротив огромного резервуара, заполненного несколькими тоннами жидкого ксенона. Когда сквозь резервуар проникает какая-либо внешняя частицы, она возбуждает атомы ксенона и создает вспышку света, а также поток свободных электронов, которые и должен обнаружить XENON1T.

Примечательно, что подобные явления могут быть следствием не только контакта с темной материей, но и с практически любыми известными частицами. Для того, чтобы отфильтровать «мусорную» материю, команда создавала теоретические модели и строила прогнозы ожидаемых возмущений, а затем сравнивала их с реальной картиной.

Как результат — физики получили «фантастическое обилие» возмущений ксенона. Помимо 232 ожидаемых вспышек было зафиксировано целых 53!

Что-то странное определенно происходит внутри резервуара с ксеноном. Но что именно?

Исследователи говорят, что есть три возможных объяснения. Давайте сначала избавимся от скучного: это может быть просто случайный источник фоновых помех. Сигнал согласуется с примесями трития в резервуаре, и потребуется всего несколько атомов трития на 10 септиллионов (!) атомов ксенона, чтобы создать дисбаланс. К сожалению, ни один инструмент не обладает достаточной чувствительностью, чтобы обнаружить такие ничтожные уровни трития в нескольких тоннах ксенона, поэтому данную версию нельзя исключать.

К счастью, две другие идеи гораздо интереснее. Команда говорит, что в качестве источника возмущений лучше всего подходит гипотетическая элементарная частица, называемая аксионом. Концепция этих частица была впервые предложена в 1970-х годах. Если бы аксионы имели определенную массу, то они могли бы объяснить странности, которые мы приписываем темной материи.

Хотя эти конкретные солнечные аксионы не были бы кандидатом в «темную материю», в случае подтверждения данной гипотезы эксперимент станет первым в истории науки подтвержденным свидетельством обнаружения любого вида аксионов как таковых. Это само по себе было бы чрезвычайно значительным открытием.

Третье объяснение состоит в том, что эти сигналы происходят от неизвестных ранее свойств нейтрино. Эти сверхлегкие элементарные частицы повсюду и редко взаимодействуют с другим веществом, но все же иногда они это делают. Если нейтрино взаимодействуют с ксеноном, то обладают большим магнитным моментом, нежели тот, который описывает стандартная модель физики элементарных частиц. Если эта теория окажется правдивой, то нам потребуется внести корректировки в привычные физические модели.

Команда утверждает, что на данный момент теория солнечных аксионов является лидером. Следующая фаза эксперимента предполагает увеличение массы ксенона в три раза при общем снижении фоновых «шумов» — так что ответ мы можем узнать совсем скоро.