Эксперимент LUX-ZEPLIN сообщает об аномальном событии в поисках тёмной материи, требуются дополнительные данные для подтверждения

1 сентября эксперимент по прямому детектированию тёмной материи LUX-ZEPLIN (LZ) опубликовал результаты нового анализа: исследователи зарегистрировали в данных одно событие одночастичного взаимодействия, характеристики которого могут быть интерпретированы как сигнал слабовзаимодействующей массивной частицы (WIMP), однако имеющихся доказательств пока недостаточно для подтверждения открытия тёмной материи.

Основной детектор LUX-ZEPLIN находился в наземной лаборатории до установки под землю. (Matthew Kapust/Sanford Underground Research Facility)

В эксперименте LZ участвуют около 250 учёных и инженеров из 39 учреждений, детектор расположен на глубине почти в одну милю под землёй на подземном исследовательском объекте Сэнфорд в Южной Дакоте, США, и управляется Национальной лабораторией Лоуренса в Беркли Министерства энергетики США. В эксперименте используется 10 тонн сверхчистого жидкого ксенона в качестве детектирующей среды, главным образом для поиска теоретического кандидата в частицы тёмной материи — WIMP.

Данный результат основан на данных за 220 эффективных рабочих дней, собранных в период с марта 2023 года по апрель 2024 года. Исследовательская группа заявила, что этот анализ больше не ограничивается простейшей моделью взаимодействия WIMP, а расширен на типы взаимодействий, которые могут откладывать больше энергии в детекторе. Результаты были представлены на конференции по физике частиц и астрофизике TeV 2026 года, проходившей в Японии; статья будет размещена на arXiv и подана в журнал Physical Review Letters.

В поисках тёмной материи LZ использует фотоэлектронные умножители (на изображении показаны до установки в детектор) для регистрации света, возникающего при взаимодействии частиц. (Matthew Kapust/Sanford Underground Research Facility)

Исследователи отмечают, что событие появилось в области, где ожидается возможный сигнал тёмной материи, и соответствует очень низкому уровню фона. Однако на данный момент имеется лишь одно событие-кандидат, статистическая значимость результата составляет 2,6σ, что ниже стандарта в 5σ, обычно используемого в физическом сообществе для подтверждения значимого открытия. Иными словами, существует ещё около 0,5% вероятности, что это событие может быть объяснено известным фоновым излучением.

Если это аномальное событие действительно вызвано тёмной материей, соответствующая масса WIMP может составлять не менее 200 ГэВ/c², что более чем в 200 раз превышает массу протона, и может означать существование формы взаимодействия между WIMP и обычным веществом, выходящей за рамки простейших моделей.

LZ использует цилиндрическую камеру, заполненную жидким ксеноном, для поиска тёмной материи. Камера окружена дополнительными слоями для детектирования или блокировки фоновых частиц (левый рисунок). Когда слабовзаимодействующая массивная частица (WIMP) сталкивается с атомом ксенона (правый рисунок), возникает вспышка света и испускаются электроны. Эти вспышки регистрируются в верхней и нижней частях камеры с жидким ксеноном. Электрическое поле дрейфует электроны к верху камеры, где они создают вторую вспышку. (Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory)

Детектор LZ ищет тёмную материю, регистрируя вспышки света и электронные сигналы, возникающие при отложении энергии частицами в жидком ксеноне. Для снижения помех эксперимент использует подземные горные породы для экранирования космических лучей, а также водяной бак, внешние детекторы и инструменты вычислительного анализа для исключения фоновых сигналов от взаимодействий обычного вещества. Группа Национальной лаборатории Брукхейвен Министерства энергетики США также разработала и предоставила 20 тонн жидкого сцинтиллятора, допированного гадолинием, для ключевых компонентов детектора, который помогает идентифицировать и исключать ложные сигналы.

Коллаборация LZ заявила, что последующие данные определят, будет ли этот аномальный сигнал постепенно усиливаться или исчезнет по мере увеличения статистики. Эксперимент в настоящее время продолжает сбор данных для поиска WIMP на подземном исследовательском объекте Сэнфорд с целью дальнейшего повышения статистической чувствительности прямого детектирования тёмной материи.