Найдены первые намеки на существование легкой темной материи

Физики, работающие с детектором темной материи XENON1T, получили первые намеки на существование так называемых аксионов – сверхлегких частиц темной материи. Об этом Эван Шокли, член коллаборации XENON1T рассказал на онлайн-брифинге в Институте Энрико Ферми в Чикаго. Статью с предварительными результатами работы опубликовал Университет Пердью.

"Множество событий, которые зафиксировали фотодатчики XENON1T на низких энергиях, лучше всего объясняет теория, предполагающая существование "солнечных" аксионов. Другое объяснение этому – ненулевой магнитный момент нейтрино или присутствие необъяснимо большого числа атомов трития внутри чана с ксеноном", – прокомментировал Шокли.

Установка XENON1T была построена в итальянской лаборатории Гран-Сассо в 2014 году для того, чтобы искать следы существования "тяжелой" темной материи, – в частности гипотетически существующих частиц, которых физии называют "вимпами" (WIMP, слабо взаимодействующая тяжелая частица). Установка представляет собой огромный чан, заполненный тремя тоннами сверхчистого ксенона.

Ядра атомов этоого газа, как предполагали ученые, должны были особым образом взаимодействовать с "вимпами". Это можно было обнаружить, наблюдая за вспышками света внутри сжиженного ксенона с помощью фотоумножителей и специализированных датчиков света. За последние два десятилетия ученые создали около дюжины подобных детекторов со все большим объемом и массой.

Ни один из них так и не смог засечь следов взаимодействий ксенона с "вимпами". Поэтому многие физики сомневаются в том, что они вообще существуют. Столкнувшись с подобными проблемами, Шокли и его коллеги задумались о том, можно ли перепрофилировать XENON1T для поисков других форм темной материи – например, ее сверхлегких частиц, аксионов, которые по своим свойствам похожи на нейтрино.

Теории, которые допускают существование аксионов, указывают на то, что очень мощным их источником должны быть Солнце и другие звезды. В этом случае поток аксионов, которые пролетает через чан детектора, будет взаимодействовать с электронами в атомах ксенона. Из-за этого будут появляться вспышки света на определенных энергиях и длинах волн.

Незримые следы новой физики

Соответственно, если аксионы существуют, то из-за этих взаимодействий будет возникать избыток электромагнитных волн, которые зафиксируют фотодатчики внутри детектора. Шесть лет назад участники проекта XENON100 уже пытались "поймать" таким образом сверхлегкую темную материю, однако у них ничего не получилось.

Увеличив объем чана с жидким ксеноном в десять раз, Шокли и его коллеги зафиксировали возможные намеки на существование аксионов. Фотодатчики XENON1T зафиксировали неожиданно много частиц света, которые появились в результате столкновения электронов и неких частиц с энергией от 3 до 7 килоэлектронвольт (кэВ).

Их оказалось на 22% больше, чем предсказывает Стандартная модель – теория, которая описывает большую часть взаимодействий всех известных сейчас науке элементарных частиц. Как показывает статистический анализ, это вряд ли могло произойти случайно. Схожий сигнал, как отметил Шокли, могут порождать распады атомов трития, нестабильного изотопа водорода, однако расчеты показывают, что внутри чана XENON1T их достаточно мало, чтобы внести столь серьезные расхождения между теорией и экспериментом.

С другой стороны, эти расхождения могут объясняться еще и тем, что у нейтрино, как это предсказывает Стандартная модель, может быть магнитный момент – очень маленький, но ненулевой. Данные, собранные XENON1T, как отметил Шокли, не противоречат этому, однако статистическая достоверность этой гипотезы несколько ниже, чем для "солнечных" аксионов.

При этом и аксионная, и нейтринная теории противоречат наблюдениям о том, как быстро охлаждаются недра звезд. Это, как считает физик Адам Фальковский из Университета Париж–Саклэ (Франция), значительно повышает шансы на то, что последующие наблюдения могут "обнулить" обе теории. Тем не менее, Фальковский надеется, что на этот раз намеки на открытие "новой физики" подтвердятся, в отличие от похожих историй последних лет, которые были связаны с открытиями на Большом адронном коллайдере и детекторе темной материи DAMA/LIBRA.

Проверить все эти теории, по словам Шокли, можно будет уже в следующем году, когда начнет свою работу обновленная версия их детектора, XENONnT. Его объем будет почти в четыре раза больше, что резко снизит уровень помех и поможет ученым по особенностям в структуре спектра вспышек света понять, какие из трех "подозреваемых", аксионы, нейтрино или тритий, порождают эту аномалию.