Детектор темной материи выдал загадочный сигнал

Исследователи темной материи, работающие в подземной лаборатории в горах Гран-Сассо в Италии, получили неожиданный результат в ходе эксперимента по обнаружению частиц загадочной субстанции. Новые данные приведены в журнале Physical Review Letters, коротко о них сообщает РИА «Новости».

Разработки ведутся в рамках проекта XENON, основной целью которого является обнаружение слабовзаимодействующих массивных частиц (WIMP) темной материи. Для этого под землей сооружен огромный резервуар с очищенным жидким ксеноном, окруженный фотоэлектронными умножителями. Если бы WIMP пролетал через резервуар и достаточно сильно ударил по атому ксенона, то он мог дать заметный свет.

Экспериментаторы приложили усилия для подавления фонового шума, который можно принять за сигнал. Новые результаты получены в самой чувствительной версии эксперимента – XENON1T с двумя тоннами сверхчистого ксенона в баке.

За год исследователи зафиксировали 285 событий в диапазоне энергий, где они ожидали проявление частиц темной материи. Из них только 232 можно отнести к фоновым. Остальные не были похожи WIMP. Атом, отскакивающий после удара вимпом, должен высвободить как фотоны, так и электроны, а характер «избыточных» событий указывает на то, что неопознанные частицы взаимодействуют с электронами атомов.

Физики проекта XENON проанализировали три возможные версии. Это могут быть нейтрино – побочный продукт термоядерного синтеза в ядре Солнца. Эти частицы способны легко добраться до детектора XENON1T. Однако вспышки света можно объяснить, если бы нейтрино имели больший магнитный момент, чем предсказывает стандартная модель.

Вторая возможность – это новый тип частиц, аксион, который мог быть произведен на Солнце в результате взаимодействия с электронами, фотонами или ядрами. Но, полагают исследователи, если бы эти частицы были испущены Солнцем в достаточном количестве, чтобы объяснить сигнал XENON1T, они испускались бы и другими звездами, а такого не происходит.

Самое интригующее объяснение заключается в том, что XENON1T распознает частицы темной материи, отличающиеся от WIMP. В то время как WIMP может столкнуться с атомом или рассеяться от него, бозонная частица темной материи может быть поглощена атомом, в результате чего высвободится электрон. В этом случае энергия столкновения должна соответствовать массе частицы темной материи. Этой частицей может быть аксион, который больше по массе солнечных частиц, а также темный фотон. Эксперты считают, что последние поглощаются в 10-30 раз меньше, чем обычные фотоны, и могли бы объяснить сигнал.

Физики не исключают также влияния на результат эксперимента фонового шума, хотя за годы работы XENON достиг беспрецедентных успехов в этой сфере. Однако слабая радиоактивность в любом случае остается. Часть фона создают различные изотопы ксенона, криптона, йода и свинца, их присутствие можно количественно оценить с помощью независимых измерений. Роль других, например, трития изучена недостаточно. Исследователи признают, что им не хватает информации, чтобы отказаться от данного объяснения.  

Ученые отмечают, что не нужно ждать слишком долго для подтверждения или опровержения своих гипотез. Сейчас разрабатывается XENONnT, преемник XENON1T с большим баком и более низким фоном. Кроме того, два аналогичных эксперимента проводятся в США и Китае. Эксперты надеются, что там будут получены похожие результаты.

Фото: Shutterstock, physics.aps