Физики, которые проводят самый чувствительный в мире экспериментальный поиск темной материи, увидели нечто странное. Они обнаружили неожиданный избыток событий внутри своего детектора, который мог бы соответствовать профилю гипотетической частицы темной материи, называемой аксионом. С другой стороны, данные могут быть объяснены новыми свойствами нейтрино.
Более того, сигнал мог прийти от загрязнения внутри эксперимента.
«Несмотря на то, что мы рады этому избытку, мы должны быть очень терпеливыми», - сказал Лука Гранди , физик из Чикагского университета и один из лидеров эксперимента на 163 человека, который называется XENON1T. Гранди сказал, что повторение эксперимента будет необходим для исключения возможного загрязнения атомами трития. Ожидается, что повторный эксперимент начнется в конце этого года.
«Если это окажется новая частица, то это прорыв, которого мы ждали последние 40 лет», - сказал Адам Фальковски , физик элементарных частиц из Университета Париж-Сакле во Франции, который не участвовал в эксперименте. «Вы не можете переоценить важность открытия, если оно реально».
Физики элементарных частиц так долго искали более полный перечень природы, помимо множества частиц и сил, известных как Стандартная модель физики элементарных частиц. И в течение 20 лет эксперименты, подобные XENON1T, специально охотились на неизвестные частицы, которые составляют темную материю, невидимые вещества, которые распространяют свой гравитационный след по всей вселенной.
Если сигнал XENON1T исходит от аксионов - главного кандидата в темную материю - или от нестандартных нейтрино, «это было бы очень интересно», говорит Кэтрин Зурек , физик-теоретик из Калифорнийского технологического института. На данный момент, однако, «объяснение загрязнением трития более вероятно в моем уме».
Описанный в документе результат представляет собой скопление событий, называемых «электронными отдачами» внутри детектора XENON1T. Облицованный датчиком резервуар из 3,2 метрических тонн чистого ксенона, детектор расположен в тысячах футов под горой Гран-Сассо в Италии. Являясь химически инертным, «благородным» элементом, ксенон создает тихую зону наблюдения, в которой можно искать рябь неизвестных частиц в случае их пролета.
Серия экспериментов XENON была первоначально разработана для поиска тяжелых гипотетических частиц темной материи, называемых слабо взаимодействующими массивными частицами, или WIMP. Любые WIMP, проходящие через детектор, должны иногда сталкиваться с ядром ксенона, создавая вспышку света.
Но после 14 лет поисков с использованием более крупных и чувствительных детекторов, исследователи не видели этих ядерных отдач. Конкурирующие эксперименты по поиску ядерных отдач в резервуарах с другими благородными элементами и веществами тоже не имели успеха. «Это была сага, и мы все в отчаянии», - сказала Елена Априле , физик элементарных частиц в Колумбийском университете, которая разработала метод обнаружения на основе ксенона и с тех пор возглавляет эксперименты с XENON.
По мере того, как поиски WIMP продолжали пустовать, ученые XENON несколько лет назад осознали, что они могут использовать свой эксперимент для поиска других видов неизвестных частиц, которые могут пройти через детектор - частиц, которые ударяются в электрон, а не в ядро ксенона.
Они привыкли рассматривать эти «электронные отдачи» как фоновые шумы, и многие из этих событий действительно вызваны такими обычными источниками, как радиоактивные изотопы свинца и криптона. Но после внесения улучшений, позволяющих значительно сократить фоновые загрязнения в течении многих лет, исследователи обнаружили, что они могут искать сигналы в низкоуровневом шуме.
В своем новом анализе физики исследовали электронные отдачи на основе данных XENON1T за первый год. Они ожидали увидеть примерно 232 таких отдачи, вызванных известными источниками фонового загрязнения. Но эксперимент видел 285 - избыток 53, который означает неучтенный источник.
Команда держала находку в секрете около года. ««Мы работаем, работаем и пытаемся понять», - сказал Априле. «Я имею в виду, эти бедные студенты!» Отвергнув все возможные источники ошибок, о которых они могли подумать, исследователи предложили три объяснения, которые бы соответствовали размеру и форме выпуклости на их графиках данных.
Первым и, возможно, самым захватывающим является «солнечный аксион», гипотетическая частица, образующаяся внутри Солнца, которая будет похожа на фотон, но с небольшим количеством массы.
Любые аксионы, произведенные недавно на солнце, не могли быть темной материей, которая формировала космос с исконных времен. Но если эксперимент обнаружил солнечные аксионы, то это означает, что аксионы существуют. «Такой аксион мог также быть произведен в ранней вселенной, и тогда он составлял бы некоторый компонент темной материи», - сказал Питер Грэм , физик элементарных частиц в Стэнфордском университете, который теоретизировал об аксионах и способах их обнаружения.
Исследователи говорят, что энергия солнечных аксионов, полученная из удара XENON1T, не соответствует простейшим моделям темной материи аксионов, но более сложные модели, вероятно, могут их согласовать.
Другая возможность состоит в том, что нейтрино - самые загадочные из известных частиц природы - могут иметь большие магнитные моменты, то есть они похожи на маленькие полосовые магниты. Такое свойство позволило бы им рассеиваться электронами с повышенной скоростью, объясняя избыток электронных отдач. Грэм сказал, что нейтрино, обладающие магнитным моментом, «также были бы очень захватывающими, поскольку они указывают на новую физику за пределами Стандартной модели».
Но также возможно, что следовые количества трития, редкого изотопа водорода, присутствуют в ксеноновом резервуаре, и что их радиоактивные распады вызывают электронные отдачи. Эта возможность «не может быть ни подтверждена, ни исключена», пишет команда XENON1T в своей статье.
Самое главное, что если солнце создает аксионы, то это делают все звезды. Эти аксионы отводят небольшое количество энергии от звезды, как пар, уносящий энергию кипящего чайника. В очень горячих звездах, таких как красные гиганты и белые карлики, где производство аксионов должно быть наибольшим, этой потери энергии будет достаточно, чтобы охладить звезды..
Нейтрино с большими магнитными моментами также оказываются неблагоприятными по сравнению со стандартными нейтрино, большее количество их будет спонтанно образовываться внутри звезд, поглощая больше энергии звезд и охлаждая горячие звезды в большей степени, чем это наблюдается.
Но эта логика может быть ошибочной или какая-то другая частица, или другой эффект могут объяснить шумы в эксперименте XENON1T. К счастью, физическому сообществу не придется долго ждать ответов; Преемник XENON1T, эксперимент XENONnT, который будет отслеживать отдачу в 8,3 метрических тоннах ксенона, собирается начать сбор данных в конце этого года. «Если избыток есть и на том же уровне, - сказал Гранди, - то мы ожидаем, что сможем различить, воможно, через несколько месяцев сбора данных».
