Физики объяснили возможное открытие частицы темной материи
Зарегистрированный крупнейшим в мире подземным детектором темной материи сигнал породил настоящий ажиотаж среди физиков. Одни наперебой пытаются подтвердить открытие, другие строят версии — что за частица зарегистрирована.
Гипотетическая частица WIMP была обнаружена установкой LUX-ZEPLIN (LZ) в Южной Дакоте 16 июня 2023 года, коллаборация LZ объявила об этом 1 сентября. Детектор представляет собой огромный резервуар с 10 тоннами сверхчистого жидкого ксенона на глубине около 1500 метров, вокруг которого установлены чувствительные камеры. Предполагается, что столкновение WIMP с ядром ксенона вызовет вспышку, которую уловят камеры.
LZ зафиксировала всего одну вспышку, и вероятность, что сигнал оказался случайным, а не свидетельством присутствия темной материи, составляет примерно 1 к 200 — и все равно это интригующий результат. Еще интереснее сигнал делает его энергия — она выше, чем ожидается для стандартного вимпа.
«Это аномальное событие — оно не похоже на то, что мы ожидали бы от самых общих моделей темной материи», — признает участник LZ Хеннинг Флехер из Бристольского университета.
Важно, что событие с высокой энергией было замечено без сопутствующих столкновений с низкой энергией — это делает крайне маловероятным, что его источник — «ванильная» WIMP (так физики называют базовый, стандартный вимп. — Прим. ред.), подчеркивает профессор.
Десятки версий — и одна самая любопытная
За недели, прошедшие после обнародования данных выпущены десятки статей с их анализом.
«Большое число работ не столько указывает на то, что теоретики верят в [настоящее] открытие темной материи, сколько отражает, что в случае подтверждения события его энергия может многое рассказать о типах физических процессов, которые могли бы его породить», — говорит физик Юрий Смирнов из Ливерпульского университета.
Во многих из этих работ рассматривается возможность, что вспышка вызвана хиггсино — разновидностью неванильного WIMP. Оно возникает в теоретической схеме под названием суперсимметрия, где каждой известной частице предлагается в соответствие «суперпартнер» — с некоторыми похожими свойствами, но другим спином. В суперсимметрии хиггсино было бы суперпартнером бозона Хиггса.
Хиггсино — самое очевидное объяснение сигнала LZ из связанных с WIMP, считает физик ЦзиЦзи Фан из Брауновского университета, соавтор этой версии, изложенной в препринте на arXiv.
«Оно порождает множество сигналов, которые можно искать на разных экспериментальных рубежах», — говорит исследовательница.
К тому же, в эту теорию отлично укладывается отсутствие событий с меньшей энергией, сопровождавших вспышку.
Но и с хиггсино не все так гладко. Простейшая модель такой частицы, способная объяснить данные эксперимента LZ, по-видимому, исключается ограничениями из других опытов. Это не значит, что частица не могла быть хиггсино, но наводит на мысль, что речь шла бы о хиггсино с гораздо большей массой, чем ожидалось.
Предложены и другие объяснения — в частности, с моделями темной материи, которые предполагают многомерные пространства. Они, пожалуй, самые сложные, но и любопытные — ведь могли бы не только объяснить находку в LZ, но и понять, почему фундаментальные частицы имеют именно такие массы.
Сначала нужно окончательно подтвердить открытие
Пока невозможно сказать, какая из этих моделей — если вообще какая-то — верна. Правда, некоторые из них дают дополнительные предсказания, что особенно пригодится при разборе такого количества идей, отмечает Смирнов.
Весь этот массив работ поможет экспериментаторам лучше разбираться в том, что все-таки они ищут, согласна Фан.
«Аномалии, как известно, могут появляться и исчезать. Мое мнение — они дают нам конкретные цели для размышлений. Ожидаемо ли это? Есть ли новые территории и вопросы в теории или экспериментах, которые нам следует охватить? Подтвердится событие LZ или нет, некоторые из этих тем приведут к долгосрочным исследованиям», — заключила она.
