Ученые, занимающиеся поиском темной материи — загадочного вещества, составляющего 85% материи Вселенной, — сообщили об обнаружении уникального взаимодействия частиц в крупнейшем в мире эксперименте в этой области, проведенном в США. Это явление не находит простого объяснения с помощью современных научных знаний.
Согласно одной из выдвинутых интерпретаций, этот аномальный энергетический сигнал может быть результатом столкновения ядра атома с WIMP — теоретической тяжелой частицей, которая является возможным кандидатом на темную материю. Однако команда подчеркнула, что это не окончательное открытие, а многообещающая отправная точка для изучения одной из величайших загадок науки.
Эрик Даль, исследователь Университета Northwestern в США и соавтор исследования, прокомментировал: «За 20 лет своей работы по поиску темной материи это самое интересное событие, которое я видел». Если это подтвердится как прямое обнаружение темной материи, это будет означать, что она еще более загадочна, чем предполагалось.
Что такое темная материя
Уже десятилетия известно, что большая часть космического вещества состоит из невидимого и почти необнаружимого типа материи, существование которого выводится исключительно по ее гравитационному воздействию на другие небесные тела.
Важный этап в этом понимании произошел в 1970-х годах, когда американская астроном Vera Rubin заметила странное явление: звезды на окраинах галактик вращались со скоростями, сопоставимыми со скоростями центральных звезд. Это противоречило ожидаемым физическим законам, поскольку орбитальная скорость должна уменьшаться по мере удаления от центра, как в нашей Солнечной системе, где Меркурий вращается намного быстрее, чем Нептун.
Рубин пришла к выводу, что высокая скорость периферийных звезд предполагает, что они могут быть выброшены из галактики, если только не существует невидимой массы, оказывающей достаточную гравитацию, чтобы удерживать ее вместе. Ее измерения считаются одним из основных доказательств существования темной материи. В настоящее время оценивается, что 84% материи Вселенной составляет темная материя, в то время как только 16% — обычная, видимая материя (такая как планеты, звезды и люди).
Хотя гравитация этой материи была обнаружена, ее состав остается неизвестным. Ученые предполагают, что она может состоять из новых частиц, подобно тому, как обычная материя состоит из неделимых частиц, таких как кварки. Одна из наиболее принятых гипотез постулирует, что темная материя состоит из WIMP — аббревиатуры на английском языке для «слабо взаимодействующей массивной частицы».
Эти теоретические частицы должны быть чрезвычайно тяжелыми — с массой как минимум в сто раз больше протона, — но они взаимодействовали бы только посредством гравитации и слабого ядерного взаимодействия, одной из фундаментальных сил Вселенной. Их отсутствие взаимодействия с электромагнитным излучением (светом, радиоволнами, инфракрасным светом и т. д.) делает их обнаружение крайне сложным.
Мы нашли темную материю?
Эксперимент LUX–ZEPLIN, или LZ, расположенный на глубине 1,5 километра в старой золотой шахте в Южной Дакоте, США, является основным инструментом в этой охоте за WIMP. Этот сложный аппарат поддерживается международным сотрудничеством, в котором участвует более 30 исследовательских учреждений.
LZ работает с гигантским резервуаром, содержащим десять тонн чистого жидкого ксенона. Этот благородный газ превращается в жидкость при температуре -108 °C. Основная идея LZ проста: если WIMP присутствуют на Земле, одна из них в конечном итоге столкнется с атомом ксенона в резервуаре, генерируя измеримый энергетический сигнал.
С 2021 года эксперимент отслеживал сигналы, соответствующие наиболее распространенной теоретической модели WIMP, при которой частица двигалась бы медленно, а ее удар по ядру ксенона производил бы низкоэнергетический сигнал. Первоначально поиск не увенчался успехом. Недавно ученые расширили анализ, включив сигналы, совместимые с другими моделями WIMP, происходящими из более сложных теорий, которые предсказывали сигналы с большей энергией.
Именно в этом контексте был зарегистрирован аномальный событие. 16 июня 2023 года что-то вызвало значительный энергетический сигнал в резервуаре LZ, происхождение которого ученые не могут определить. Одна из возможностей заключается в том, что это событие вызвано отдельной, более массивной и энергетически мощной WIMP, чем предполагалось в стандартной модели, соответствующей более сложным физическим теориям, хотя и не обязательно самой известной модели.
Однако официального подтверждения нет; исследователи опасаются, что сигнал может быть результатом загрязнения или фонового шума. Команда потратила месяцы на расчет других возможностей и не нашла четкого объяснения, оценивая вероятность того, что событие является всего лишь статистической флуктуацией или фоновым шумом, в 0,5%. Результаты были представлены на конференции в Японии в начале сентября, а статья опубликована как препринт в ожидании рецензирования. Команда планирует представить исследование в журнал Physical Review Letters.
Рик Гайтскелл, профессор физики Браунского университета в США и руководитель эксперимента, отметил: «С одним событием мы не хотим торопиться. Мы не утверждаем, что обнаружили темную материю. Однако мы наблюдали нечто интересное, чем хотим поделиться с научным сообществом для получения их мнений».
Научное сообщество остается воодушевленным, но осторожным, учитывая историческое недоверие в этой области, где предыдущие заявления об обнаружении темной материи оказались ошибками расчетов или помехами. Положительная перспектива заключается в том, что, если данные действительно получены от темной материи, они должны повториться. Ученые использовали лишь небольшую часть данных, собранных LZ, который будет работать в течение многих лет. Кроме того, существуют другие глобальные проекты, такие как PandaX-xT, который строится в Китае и обещает стать самым мощным детектором WIMP в мире.