Підземний детектор LUX-ZEPLIN у США зафіксував одиничну взаємодію частинок, яка не вписується в очікувану картину сигналів від звичайної матерії. Подія сталася майже за кілометр під землею в Південній Дакоті й уже привернула увагу дослідників темної матерії, повідомляє Universe Today.
Темна матерія, за сучасними оцінками, становить близько 85% усієї маси Всесвіту, але її природа досі невідома. Один із головних підозрюваних — слабковзаємодіючі масивні частинки, або WIMP (weakly interacting massive particles), які мають інколи стикатися з атомами звичайної речовини.
Як працює LUX-ZEPLIN і що саме побачили
Експеримент LUX-ZEPLIN (скорочено LZ) розташований у колишній золотій шахті Sanford Underground Research Facility (SURF). У центрі установки — циліндрична камера з 10 тоннами надчистого рідкого ксенону, оточена додатковими шарами захисту від фонових частинок.
Коли гіпотетична частинка темної матерії WIMP стикається з атомом ксенону, виникає спалах світла та вивільняються електрони. Світло реєструють фотодетектори вгорі й внизу камери, а електрони дрейфують у електричному полі до верхньої частини, де створюють другий спалах. За цими двома сигналами фізики відокремлюють можливі події темної матерії від взаємодій звичайних частинок.
Між березнем 2023 та квітнем 2024 року команда зібрала дані за 220 днів роботи детектора. Попередній аналіз зосереджувався на найпростішому типі слабких взаємодій, але новий перегляд даних розширив пошук до більш енергійних подій.
Саме в цьому розширеному аналізі виявили один випадок з незвичним спектром енергії ядерного віддачі. Його важко пояснити відомими фоновими процесами, пов’язаними зі звичайною матерією, і він потрапляє в область, де теоретично очікують сигнали від темної матерії.
Речник експерименту LUX-ZEPLIN, фізик Рік Гейтскелл (Rick Gaitskell) з Університету Брауна, наголосив, що команда не поспішає з гучними заявами: дослідники не стверджують, що побачили темну матерію, але вважають подію достатньо цікавою, щоб представити її на розгляд науковій спільноті.
Наскільки це може бути темна матерія
За аналізом команди, якщо аномальна подія справді спричинена частинкою темної матерії, її маса мала б перевищувати масу протона більш ніж у 200 разів. Однак це лише одна з можливих інтерпретацій.
Статистична значущість сигналу становить 2,6 сигма — це помітне відхилення, але далеко не рівень відкриття. Для оголошення відкриття в фізиці частинок зазвичай вимагають щонайменше 5 сигма. Наразі оцінки вказують приблизно на 0,5% ймовірності, що подію можна пояснити вже відомими фоновими взаємодіями.
Фізик Даніель Акеріб (Daniel Akerib) зі SLAC National Accelerator Laboratory, член наукової команди LZ, підкреслює, що одного такого сигналу недостатньо, щоб розв’язати давню загадку темної матерії. Потрібно підтвердження в інших експериментах і, бажано, в інших ізотопах, наприклад у рідкому аргону, а також можливість відтворити подібні частинки в лабораторних умовах.
Попередні результати представили на конференції з астрофізики частинок TeV 2026 року в Японії. Статтю готують до подання в журнал Physical Review Letters для рецензування.
Звідки взялася ідея темної матерії
Проблема «прихованої маси» з’явилася ще в 1930-х роках, коли швейцарський астроном Фріц Цвіккі (Fritz Zwicky) показав, що галактики в скупченні Кома рухаються так, ніби їхня загальна маса в сотні разів більша за ту, що видно у вигляді зірок. У 1970-х американська астрономка Віра Рубін (Vera Rubin) виявила, що подібна невідповідність характерна для багатьох галактик.
З часом астрофізики дійшли висновку, що більша частина маси Всесвіту припадає на невидиму речовину — темну матерію. Серед головних кандидатів — WIMP, але розглядали й інші варіанти.
Однією з альтернатив була ідея, що «відсутню» масу забезпечують об’єкти зі звичайної матерії: планети-ізгої, згаслі зорі, коричневі карлики, первинні чорні діри. Їх об’єднали під назвою MACHO (massive compact halo objects — масивні компактні гало-об’єкти). Однак астрономічні огляди показали, що таких об’єктів замало, щоб пояснити всю темну матерію.
Серед інших гіпотез — сильно взаємодіючі масивні частинки SIMP (strongly interacting massive particles) та аксіони, теоретичний клас легких субатомних частинок.
Глобальне полювання на темну матерію
LUX-ZEPLIN — не єдиний експеримент, що шукає сліди темної матерії. Подібні установки працюють у лабораторії Гран-Сассо в Італії (проєкт XENON) та в Китайській підземній лабораторії Цзіньпін. Усі вони намагаються зафіксувати рідкісні взаємодії між темною та звичайною матерією.
За сучасною космологічною моделлю, лише близько 5% вмісту Всесвіту становить звичайна матерія. Приблизно 27% припадає на темну матерію, а решта 68% — на темну енергію, яку пов’язують з прискореним розширенням Всесвіту.
Новий космічний телескоп NASA Nancy Grace Roman, запущений цього тижня, має допомогти краще зрозуміти як темну енергію, так і темну матерію, доповнюючи наземні експерименти на кшталт LUX-ZEPLIN. А поки що фізики уважно стежать за кожною незвичною подією в детекторах, сподіваючись, що одна з них виявиться справжнім сигналом від темної матерії.