Детектор LZ не увидел частиц темной материи

Физики из эксперимента LUX-ZEPLIN (LZ) не увидели частиц темной материи за 280 дней набора данных. Зато установили рекордное ограничение на их параметры при помощи двухфазного детектора на жидком ксеноне. Об этом ученые сообщили на конференциях TeV Particle Astrophysics и LIDINE 2024, а также в пресс-релизе на сайте Национальной лаборатории в Беркли.

Проблема скрытой массы во Вселенной — темной материи — будоражит умы ученых уже более века. Чтобы объяснить наблюдаемые астрономические явления, например, зависимость скорости движения звезд вокруг центров галактик или гравитационное линзирование, в космическом пространстве должно быть примерно в пять раз больше массы, чем получается на основании подсчетов массы видимого вещества. Одна из самых популярных гипотез на сегодняшний день гласит, что темная материя может состоять из массивных слабовзаимодействующих частиц — вимпов (от английского WIMP — weakly interacting massive particle).

Если эта гипотеза верна, то частицы темной материи можно зарегистрировать напрямую, наблюдая отклик детектора на столкновение этих частиц с ядрами атомов регистрирующего вещества. Поэтому ученые строят огромные детекторы, увеличивая вероятность таких столкновений, а также улучшают технологии борьбы с фоновым сигналом. Однако до сих пор физики не обнаружили этих частиц, так что результаты поиска пока заключаются во все более жестких ограничениях на возможную массу вимпов и величину их сечения взаимодействия с веществом.

Ученые из эксперимента LZ, с одним из лучших на сегодняшний день детекторов по поиску темной материи, также пока не увидели вимпов. Для поиска темной материи физики используют двухфазный эмиссионный детектор, заполненный семью тоннами жидкого ксенона, работающий по принципу времяпроекционной камеры. Чтобы уменьшить фон, вызванный космической радиацией, и природный радиационный фон, ученые разместили детектор в шахте подземного исследовательского центра Сэнфорда, на глубине около полутора километров, а также окружили его многослойной защитой из жидкого сцинтиллятора и воды.

На сегодняшний день ученые набрали и проанализировали статистику, соответствующую 280 дням работы детектора. При этом, физики применили новейшие методы анализа данных, например, впервые был применен метод «соления» — технику, которая добавляет ложные вимп-сигналы во время сбора данных для контроля правильности работы алгоритмов отбора и анализа. Кроме того, физики провели тщательное компьютерное моделирование фонов, которые все-таки могут проникать внутрь чувствительной зоны детектора и пройти критерии отбора.

В результате ученые увидели 1203 ± 41 событие, что согласуется с ожидаемым количеством фоновых событий в количестве 1210 ± 91, при этом формы распределений наблюдаемых параметров также совпали с ожидаемыми от фона. Это позволило физикам установить предел в зависимости сечения взаимодействия вимпов от их массы в области более девяти гигаэлектронвольт. Этот предел оказался примерно в пять раз более строгим, чем наилучшее предыдущее ограничение.

Ученые продолжают набирать данные и планируют достигнуть к 2028 году статистики, соответствующей 1000 дням работы детектора. Это позволит физикам еще дальше заглянуть в область допустимых параметров и, возможно, отыскать неуловимые частицы темной материи.

Отсутствие сигналов от частиц темной материи стимулирует ученых строить все более чувствительные детекторы и искать новые способы для ее поиска. Например, недавно ученые поискали темную материю в квантовых устройствах.