Учёные коллаборации LUX-ZEPLIN (LZ) объявили о регистрации сигнала, который может оказаться первым прямым свидетельством существования частицы тёмной материи. Результаты были представлены 6 сентября на конференции TeV Particle Astrophysics в Тендо (Япония) и направлены в виде препринта в журнал Physical Review Letters.
Сигнал был зафиксирован 16 июня 2023 года на глубине почти полутора километров под землёй, в бывшей золотой шахте Блэк-Хиллз (Южная Дакота), где расположен детектор LZ. Сотни датчиков зарегистрировали две короткие вспышки в резервуаре с семью тоннами жидкого ксенона. Комбинация сигналов указывает на то, что некая частица ударила по ядру атома ксенона с необычной энергией — так называемый ядерный откат (nuclear recoil), который теоретически может вызывать частица тёмной материи.
За более чем три года анализа исследователи не смогли объяснить событие известными источниками радиации, известными частицами или неисправностью оборудования. «Мы не утверждаем, что обнаружили тёмную материю, но мы наблюдали нечто интересное, чем хотим поделиться с научным сообществом», — заявил Рик Гейтскелл (Rick Gaitskell), профессор Университета Брауна и официальный представитель LZ.
Статистическая значимость сигнала составляет 3,4 сигма при сравнении с некоторыми теоретическими моделями тёмной материи. Однако с учётом того, что группа проверила 616 комбинаций масс и типов взаимодействия, скорректированная значимость снизилась до 2,6 сигма. Это означает, что при отсутствии тёмной материи такой результат мог бы возникнуть случайно от 5 до 10 раз на тысячу. Для официального объявления об открытии в физике требуется уровень в 5 сигма.
Если событие действительно вызвано тёмной материей, то частица должна быть очень тяжёлой — более чем в 200 раз массивнее протона. Это указывает на класс так называемой неупругой тёмной материи (inelástica), которая при столкновении переходит в более тяжёлое состояние.
«Тёмную материю можно представить как космический клей, который позволил сформироваться галактикам вроде нашего Млечного Пути», — пояснила на конференции Алвин Камаха (Alvine Kamaha), астрофизик из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и соавтор работы.
Учёные подчёркивают, что пока зарегистрировано лишь одно событие, а анализ не был полностью «слепым» в зоне, где появилась аномалия. Решающее подтверждение может дать дальнейший сбор данных: лаборатория уже располагает как минимум вдвое большим объёмом информации, чем использовано в текущем анализе, и продолжит работу как минимум до 2028 года. Если появятся новые коллизии с похожими характеристиками, гипотеза о тёмной материи получит серьёзное подкрепление.