Охота за тёмной материей

16 июня 2023 года в 21:22:39 UTC детектор тёмной материи LZ зарегистрировал необычное событие. Учёные ещё не уверены, но вполне возможно, что это тот самый вимп (WIMP), который ищут уже несколько десятилетий. Вимп — это гипотетическая частица тёмной материи, которая практически не взаимодействует с обычным веществом и не участвует в электромагнитном взаимодействии. Считается, что тёмная материя составляет около 25% общей плотности энергии Вселенной.

Главная загадка Вселенной

Тёмная материя — загадочное невидимое вещество, чья гравитация связывает галактики, согласно современной общепринятой теории. Никто не знает, что это такое, никто её не видел. Но она точно есть.

Поскольку никто не знает, что это такое, веществу и дали такое название — «тёмная материя», что в переводе на обычный язык означает «какая-то непонятная фигня», если не стесняться в выражениях. Но это правда. Кстати, примерно то же самое можно сказать про «тёмную энергию».

То есть сам термин «тёмная материя» означает, что никто не знает и не понимает, что это такое. Просто по теории это «нечто» должно существовать, иначе гравитационная головоломка Вселенной не складывается.

Как появились вимпы

Способы, которыми галактики вращаются и удерживаются, предполагают, что они находятся в гораздо больших скоплениях тёмной материи. Её нельзя увидеть напрямую, потому что она не поглощает и не излучает электромагнитное излучение, однако исследования послесвечения Большого взрыва — космического микроволнового фона — указывают на то, что она составляет примерно 25% материи во Вселенной.

Ни одна известная частица не является одновременно достаточно массивной и инертной, чтобы попадать под определение «тёмной материи».

Поиск

В 1980-х годах физики рассчитали параметры гипотетического класса кандидатов — WIMP. С тех пор идёт их поиск.

Предполагается, что из четырёх фундаментальных взаимодействий вимпы участвуют только в слабом и гравитационном. Вимпы стабильны и примерно в 100 раз массивнее протона. Вообще, мы сейчас говорим о расширении Стандартной модели.

Поскольку вимпы не участвуют в электромагнитном взаимодействии, их очень трудно обнаружить. Это действительно звучит логично.

Ещё одно свойство вимпов — эти частицы являются собственными античастицами (в некоторых моделях). Ну, в этом ничего фантастического нет, мы видели такое на примере фотона.

Итак, разбираемся с вимпами дальше. Предполагается, что они естественным образом остались с Большого взрыва в точно таком количестве, чтобы объяснить нынешнюю массу тёмной материи. Кстати, вимпы отлично вписываются в теорию суперсимметрии.

Поскольку тёмная материя составляет 25% массы Вселенной, то вимпов должно быть огромное количество вокруг нас. Они просто невидимы ни в каком излучении, как мы уже упомянули выше.

Для определения таких выделений и был построен детектор LZ: чтобы обнаружить факты столкновений с вимпом.

Детектор

Детекторы для обнаружения столкновений вимпа строили и раньше, но LZ — один из самых крупных проектов. Семь тонн жидкого ксенона — это астрономическое количество мишеней для вимпов.

LZ находится на глубине 1480 м, в бывшей золотой шахте в Южной Дакоте. Он начал собирать данные в 2021 году.

По идее, тяжеленные вимпы должны двигаться медленно, примерно 300 км/с. Поэтому столкновение с ядром ксенона выделит очень мало энергии. В прошлом году исследователи LZ искали отдачи в диапазоне 5−55 кэВ и не нашли ничего интересного.

Но когда команда расширила поиски до энергий в 270 кэВ, то обнаружила сильную аномалию.

Они не смогли объяснить его как «фоновое», скажем, случайным нейтроном или гамма-лучом. Поэтому решили, что должны сообщить об этом научному сообществу, говорит Рик Гейтскелл, физик из Университета Брауна и представитель коллаборации LZ, в комментарии журналу Science.

Событие

Предоставим слово самим учёным, из официального заявления от 1 сентября 2026 года:

Мы сообщаем о поиске частиц тёмной материи, взаимодействующих с ядрами ксенона, в ходе эксперимента LUX-ZEPLIN (LZ) с экспозицией 2,84 тонн-лет. Расширение диапазона энергии отдачи ядра до примерно 270 кэВ позволяет проводить поиски эффективной теории поля и моделей неупругой тёмной материи, где высокоэнергетические рикошеты составляют большую долю предсказанного спектра рикошетов по сравнению с номинальным взаимодействием, независимым от спина. Мы наблюдаем одно событие с характеристиками, соответствующими энергии отдачи ядра 248 ±23 (стат) ±23 (сис) кэВ в области с низким известным фоновым ожиданием. Тест отношения правдоподобия профилей обнаруживает несоответствие с гипотезой чистого фона с глобальной значимостью 2.6σ и максимальной локальной значимостью 3.4σ среди протестированных моделей. В опубликованной научной статье мы описываем анализ и интересующее событие, модель фона, использованную в статистическом выводе, и подробно рассматриваем несколько редких топологий фона.

В переводе на простой язык фраза «несоответствие с гипотезой чистого фона с глобальной значимостью 2.6σ» означает, что учёные обнаружили сильный аномальный всплеск (сигнал), который трудно объяснить простой случайностью или погрешностью приборов.

Пока что они опубликовали препринт на arXiv.org, но статья планируется к публикации в Physical Review Letters.

Можно было бы предположить, что учёные наконец-то смогли обнаружить долгожданный вимп, но что-то не сходится. Специалисты поясняют, что здесь слишком высокая энергия отдачи 248 кэВ. Это не может быть обычный вимп, потому что по логике количество вимпов с более низкой энергией должно превышать количество вимпов с такой высокой энергией. А мы их не наблюдали.

Теперь придётся думать, что делать с таким открытием. Нужно как-то объяснить, какой феномен подавляет низкоэнергетические частицы.

Возможно, тёмная материя состоит не из одного, а из нескольких типов частиц: например, ещё из тёмных фотонов. Или у вимпа есть внутренняя структура, из-за чего он взаимодействует только при достаточно сильном ударе. Или «сопряжение» частицы с обычным веществом может зависеть от её импульса, потому что было опосредовано другим типом частицы. В общем, есть над чем поломать голову.

Но хочется верить, что земляне наконец-то нашли тёмную материю. Вимпы действительно повсюду среди нас, как и предсказывалось. Частицы, которые не взаимодействуют в электромагнитном спектре. Словно сюжеты фантастических произведений воплотились в реальность!

Впрочем, открытие коллаборации LZ ещё предстоит многократно проверить. Аналогичные сигналы должны повториться и в других детекторах, чтобы мы могли однозначно утверждать об обнаружении вимпов.

Если результат реальный, вскоре должны появиться новые сигналы. И другие детекторы, такие как XENONnT в Национальной лаборатории Гран-Сассо в Италии и гораздо более крупный PandaX-xT в Китае, также должны показать высокоэнергетические события, пишет Science.

Но факт открытия уже витает в воздухе, он кажется таким близким... Наверное, охотники за тёмной материей уже предвкушают огромный праздник, которого они так долго ждали. Вимп будет официально обнаружен. И одной загадкой в физике станет меньше. Хотя останется ещё миллион.

Загадки Вселенной

В нашей Вселенной очень много загадок. Если навскидку, вот некоторые из них:

1. Что такое тёмная энергия.

2. Что было до Большого взрыва.

3. Является ли пространство конечным.

4. Что происходит рядом с чёрными дырами.

5. Существует ли гравитон.

6. Почему фундаментальные космологические постоянные имеют именно такие значения. Кто «написал» эти формулы?

7. Почему переносящие сильное взаимодействие частицы имеют огромную массу, хотя в исходных уравнениях фундаментальные глюоны безмассовые. Другими словами, как возникает масса, если исходные частицы безмассовые? (одна из семи задач тысячелетия на эту тему).

8. Почему вакуум порождает виртуальные частицы.

Это просто первое, что приходит в голову. Таких вопросов миллион. Мы наблюдаем массу явлений, но не понимаем их причин. Чем более продвинутый уровень учёного, тем больше у него вопросов.

В общем, физикам хватает работы. Если подумать, то мы очень мало знаем о Вселенной.