Ученые установили новый мировой рекорд в поиске темной материи

Темная материя — одна из самых больших загадок современной науки. Мы знаем, что она есть: по расчетам, она составляет около 85% всей материи во Вселенной. Но напрямую увидеть ее пока не удалось. Недавние результаты эксперимента LUX-ZEPLIN (LZ), возможно, приблизили ученых к разгадке этой тайны.

В течение 280 дней физики собирали данные в детекторе LZ, расположенном на глубине более 1,5 километра в бывшей золотой шахте в Южной Дакоте (США). Их цель — поймать WIMP — гипотетические «слабо взаимодействующие массивные частицы», одних из главных кандидатов на роль темной материи.

Их не видят телескопы, они не светятся, не отражают свет — они просто есть, потому что гравитационно воздействуют на звезды и галактики. Чтобы их найти, физики используют материалы вроде жидкого ксенона — тяжелого, прозрачного газа, способного зафиксировать редкое взаимодействие с неуловимой частицей.

Рекордная чувствительность

По результатам анализа команда опубликовала статью в журнале Physical Review Letters, где сообщает о самом строгом верхнем пределе на силу взаимодействия WIMP с обычной материей. Это означает, что, если WIMP существуют, они взаимодействуют с веществом еще слабее, чем считалось раньше — возможно, всего раз в 4000 лет на каждый килограмм ксенона.

«Если вы думаете о поиске темной материи как о поиске сокровищ, мы выкопали почти в пять раз глубже, чем кто-либо другой», — говорит Скотт Кравиц, физик из Техасского университета в Остине.

«Мы исключили WIMP, которые взаимодействуют даже так редко, как один раз в 4 тысячелетия. Это выдающийся результат», — добавляет Скотт Хасельшварт, координатор физики LZ из Мичиганского университета.

Как работает детектор

Массив фоточувствительных трубок, предназначенных для регистрации сигналов от взаимодействий частиц, происходящих в жидкоксеноновом детекторе LZ

Детектор LZ содержит почти 7 тонн жидкого ксенона. Когда частица взаимодействует с ядром атома ксенона, он испускает крошечную вспышку света, которую фиксируют сверхчувствительные сенсоры. Устройство экранировано от космических лучей и радиоактивных фонов, чтобы зафиксировать даже мельчайшие сигналы.

Чтобы избежать предвзятости, в данные заранее были добавлены искусственные сигналы, имитирующие сигналы темной материи. Исследователи не знали, какие из них настоящие, а какие фальшивые, пока анализ не был завершен. Это позволяет беспристрастно анализировать результаты и не впадать в иллюзии из-за «шумов».

«Очень важно, чтобы не было предвзятости. Если вы сделаете открытие, вы должны быть абсолютно уверены», — отметил Хасельшварт.

Что дальше?

Исследование еще не закончено — у ученых есть два года на продолжение наблюдений и возможное открытие. Они также планируют использовать установку для поиска других редких явлений.

«Это самый чувствительный на сегодняшний день эксперимент по поиску темной материи WIMP и это новый рекорд. Мы действительно заглядываем туда, где еще никто не смотрел. И это невероятно захватывающе!» — добавил Хасельшварт