Коллаборация XENON1T сообщила о новых результатах, полученных на самом чувствительном детекторе темной материи в мире. Ученые зарегистрировали аномально много событий, что может свидетельствовать как о существовании новых частиц солнечных аксионов, так и о новых свойствах нейтрино. Препринт выложен на сайте Университета Пердью.
Темная материя составляет примерно четверть массы Вселенной. Уже многие годы ученые по всему миру пытаются доказать ее существование экспериментально, потому что в основном на существование темной материи указывают косвенные гравитационные аномалии, такие как гравитационное линзирование и изменения скорости расширения Вселенной. Проблема прямого детектирования заключается в том, что физики до сих пор не знают, из чего состоит темная материя. Известно только, что это не могут быть частицы Стандартной модели. Ученые считают, что темная материя состоит из частиц, которые свободно проходят сквозь обычные не очень чувствительные детекторы, но при этом суммарно они имеют достаточно большую массу, чтобы повлиять на вещество макроскопически через гравитационное взаимодействие.
Теоретически, зарегистрировать столь неуловимые частицы можно, если построить большой по площади детектор, который содержит очень много атомов вещества. Наблюдая за детектором достаточно долго, можно уловить не только гравитационные аномалии — столкновения между частицами темной материи и обычным веществом очень редки, но не невозможны. Детектор XENON1T относится к такому типу установок и является самым чувствительным детектором темной материи на сегодняшний день. В качестве рабочего тела в нем используется 3,2 тонны охлажденного жидкого ксенона.
На сайте коллаборации XENON1T ученые сообщили о результатах последнего эксперимента — исследователи впервые увидели, как установка задетектировала аномально большое количество событий. Физики не утверждают, что обнаружили темную материю, ведь источник событий пока не определен. Ранее детектор, проработав 279 дней, не показал существования вимпов с энергией от 6 до 200 гигаэлектронвольт, основных кандидатов на гипотетические частицы темной материи.
Когда частица пересекает мишень XENON1T, она создает слабые возбуждения в атомах ксенона. Большинство этих взаимодействий происходит от известных частиц, поэтому ученые тщательно калибруют количество фоновых событий в установке. В этот раз, когда данные XENON1T были сопоставлены с откалиброванными фоновыми шумом, было замечено превышение событий почти на 23 процента.
Полученные данные могут быть результатом остатка трития в установке в отношении 1 к 1025. Тритий, радиоактивный изотоп водорода, самопроизвольно распадается, испуская электрон с энергией, подобной той, что наблюдалась в эксперименте.
Также данные могут свидетельствовать о существования новой частицы, известной как солнечный аксион. Наблюдаемый избыток имеет энергетический спектр, похожий на тот, который ожидается от аксионов, образующихся на Солнце. Хотя солнечные аксионы не являются частицами темной материи, ранее их не удавалось обнаружить. Из результатов эксперимента ученые получили вероятность 1 к 5000, что наблюдаемое превышение вызвано случайной флуктуацией, а не сигналом от солнечных аксионов. Однако этого не достаточно, чтобы сделать вывод о существовании этих частиц.
Другая гипотеза состоит в том, что магнитный момент нейтрино оказался больше, чем его предсказывает Стандартная модель. Это было бы сюрпризом для физиков и потребовало бы дальнейших экспериментов.
В ближайшее время ученые обновят установку XENON1T до XENONnT с рабочим телом в три раза больше, что улучшит калибровку и сделает измерения еще более точными. Используя эту установку, исследователи смогут точно выяснять природу этих событий.
Недавно физики проанализировали возможные механизмы поглощения частиц темной материи и показали, что такие реакции могут регистрировать уже существующие детекторы. Однако, для точного детектирования необходимы сложные установки, такие как, например, телескоп Хаббл. Узнать больше про разные теории вокруг темной материи вы можете в нашем тесте «Какая ты темная материя?».