Исследователи впервые получили неопровержимые доказательства квантового феномена, который оставался лишь теоретическим предсказанием почти столетие. Это открытие дало науке принципиально новый инструмент для охоты за частицами темной материи, невидимой для обычных детекторов.
Советский физик Аркадий Мигдал еще в 1939 году предсказал необычное поведение атомов при столкновениях. Ученый рассчитал, что если нейтральная частица резко ударит по атомному ядру, оно сместится, но электронные оболочки не успеют среагировать мгновенно.
Из-за этого рассогласования, похожего на встряску, один из электронов вылетит со своей орбиты, ионизируя атом. Десятилетиями этот процесс существовал только на бумаге, так как заметить одиночный электрон на фоне естественного радиационного шума было технически невозможно.
Параллельно в космологии назревал кризис поиска скрытой массы Вселенной. Астрономы знают, что невидимая темная материя составляет примерно 85% массы космоса, но поймать ее частицы на Земле не удается. Ранее эксперименты были нацелены на поиск тяжелых частиц, так называемых вимпов, но они не дали результатов. Научный интерес сместился в сторону легкой темной материи. Проблема заключалась в том, что легкая частица при ударе об атом почти не передает ему энергии. Датчики просто не видят слабое дрожание ядра, и столкновение остается незамеченным.
Эффект Мигдала решает это противоречие, превращая невидимое в явное. Если гипотетическая частица темной материи выбьет из атома электрон, детекторы смогут засечь именно его энергию, а не слабое смещение ядра. Долгое время физики использовали этот теоретический расчет в своих моделях авансом, не имея прямых доказательств его реальности. Теперь пробел устранен. Результаты работы опубликовали в журнале Nature.
Группа китайских ученых создала уникальную установку, которую назвали «атомной камерой». Это газовый детектор низкого давления, наполненный смесью гелия и специального органического газа. Конструкция прибора позволяет с высокой точностью восстанавливать трехмерные траектории движения заряженных частиц. Чтобы проверить теорию, физики бомбардировали газ нейтронами. Эти нейтральные частицы имитировали поведение темной материи: они сталкивались с ядрами газа, провоцируя предсказанную «встряску».
Задача состояла в поиске иголки в стоге сена. Система проанализировала более 800 тысяч событий в детекторе. Ученые искали специфическую сигнатуру: из одной точки должны были выходить сразу два следа. Один короткий след принадлежал бы тяжелому ядру, отскочившему от удара, а второй — выбитому электрону. Обычные помехи или фоновая радиация не создают такую геометрию.
Авторы исследования выделили шесть событий, которые идеально совпали с предсказаниями Аркадия Мигдала. Статистическая значимость открытия достигла пяти сигм. В физике элементарных частиц такой уровень достоверности означает полноценное открытие, когда вероятность случайной ошибки исключена.
Эксперимент показал, что детектор улавливает почти всю энергию вылетевшего электрона. Это делает методику чувствительной даже к слабым ударам.
Прямое наблюдение эффекта Мигдала переводит поиск темной материи из области теоретических допущений в практическую плоскость. Полученные данные подтвердили, что существующие детекторы можно перенастроить на поиск легких частиц. Это открывает перед физикой новые горизонты в понимании того, из чего на самом деле состоит наша Вселенная.