В эксперименте по поиску темной материи зафиксировали неожиданно много событий

Международная коллаборация ученых, работающая над экспериментом XENON1T — самым чувствительным в мире детектором темной материи, — зафиксировала неожиданный всплеск количества обнаруженных событий. Такое необычное поведение физики наблюдали впервые. Источник найденных ими событий до сих пор не до конца понятен. Посвященная результатам исследования статья принята к публикации в журнале Nature.

Эксперимент XENON1T в лаборатории Гран Сассо в Италии собирал данные в период с 2016 по 2018 годы. Он был в первую очередь предназначен для обнаружения темной материи, которая составляет 85% материи во Вселенной. До сих пор ученые наблюдали только косвенные доказательства существования этой субстанции, но обнаружить отвечающие за нее частицы так и не удалось. Один из кандидатов на роль таких частиц — вимпы. Это слабо взаимодействующие с обычной материей массивные частицы. С помощью XENON1T ученым удалось установить лучший предел вероятности взаимодействия этих частиц с окружающим веществом в широком диапазоне масс. Помимо слабой темной материи, XENON1T был также чувствителен к различным типам новых частиц и взаимодействий, которые могли бы объяснить другие открытые вопросы в физике.

Детектор XENON1T был заполнен 3,2 тонны сверхчистого сжиженного ксенона, две из из которых служат мишенью для взаимодействия частиц. Когда частица пересекает мишень, она может генерировать слабые световые сигналы и свободные электроны при взаимодействии с атомами ксенона. Большинство этих взаимодействий происходит от уже известных частиц, а не темной материи. Поэтому ученые тщательно оценили количество фоновых событий в XENON1T.

Когда физики сопоставили данные этого эксперимента с известными фоновыми данными, они увидели, что вместо ожидаемых 53 событий детектор зафиксировал 232. Тогда исследователи решили выяснить, откуда взялось такое повышение количества событий по сравнению с ожиданиями. Одно из объяснений — новый, ранее не рассматривавшийся источник фона, вызванный присутствием крошечных количеств трития в детекторе XENON1T.

Тритий — радиоактивный изотоп водорода. Он может распадаться, испуская электрон с энергией, сходной с той, что наблюдалась ранее. Для объяснения такого явления необходимы всего несколько атомов трития на каждые 10²⁵ атомов ксенона. В настоящее время не существует независимых измерений, которые могли бы подтвердить или опровергнуть наличие трития в детекторе на таком низком уровне, поэтому однозначную правоту этого объяснения ученые пока подтвердить не могут.

Что еще более интересно, другим объяснением может быть существование новой частицы. Фактически наблюдаемый избыток энергии имеет спектр, аналогичный тому, который ожидается от аксионов, произведенных на Солнце. Аксионы — это гипотетические частицы, которые были предложены для сохранения симметрии по отношению к обращению времени ядерной силы, и Солнце может извергать большое количество этих частиц. Хотя такие солнечные аксионы не являются кандидатами на темную материю, их обнаружение ознаменовало бы первое наблюдение этого нового класса частиц, который до сих пор исследователи предсказывали только в теории. Это оказало бы большое влияние на наше понимание фундаментальной физики и астрофизических явлений. Более того, аксионы, возникшие в ранней Вселенной, также могут быть источником темной материи.

Кроме того, такой избыток событий также может быть вызван нейтрино. Одним из объяснений может быть то, что магнитный момент нейтрино больше, чем его значение в Стандартной модели элементарных частиц. Если это так, значит для объяснения таких свойств этой частицы потребовалось бы развитие новых теорией, отличных от Стандартной модели.

Из трех объяснений, рассмотренных учеными, наблюдаемый избыток наиболее согласуется с сигналом солнечного аксиона. Доверительный интервал этой гипотезы составляет 3,5 сигма. Это значит, что существует шанс 2 к 10000, что наблюдаемый избыток вызван случайной флуктуацией, а не сигналом от аксиона. Хотя это значение довольно высоко, оно недостаточно велико, чтобы сделать вывод о существовании аксионов. Значимость гипотез о магнитном моменте трития и нейтрино соответствует 3,2 сигма. Это означает, что они также неплохо согласуются с данными наблюдений.

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.