Крупнейший в мире детектор темной материи поймал одиночный аномальный сигнал: что зафиксировал LUX-ZEPLIN

Международная научная группа эксперимента LUX-ZEPLIN опубликовала результаты поиска частиц темной материи в расширенном энергетическом диапазоне. Установка LUX-ZEPLIN, расположенная в подземном исследовательском центре SURF в штате Южная Дакота в США, на сегодняшний день является самым чувствительным детектором подобного типа в мире.

В массиве данных, собранных за 220 дней непрерывных измерений, исследователи выявили одиночный сигнал, параметры которого соответствуют упругому столкновению неизвестной частицы с ядром ксенона. Выделившаяся при столкновении энергия составила 248 килоэлектронвольт (с возможным отклонением около 23 килоэлектронвольт из-за статистических и инструментальных погрешностей).

Это неожиданно большая величина: стандартные поисковые программы ориентированы на поиск куда более слабых воздействий. При этом в диапазоне около 250 килоэлектронвольт естественный радиационный шум практически отсутствует: расчетный уровень фоновых помех для этой зоны составляет всего около одной сотой события на весь объем собранных данных.

Локальная статистическая достоверность зарегистрированного сигнала достигла 3,4 стандартных отклонения (сигма). Это означает, что вероятность случайного появления такого шума в рамках конкретной модели составляет менее одной десятой процента. С учетом поправки на проверку сотен различных теоретических гипотез общая статистическая значимость составила 2,6 сигма. Полученный результат еще нельзя назвать официальным открытием, однако он ставит перед исследователями фундаментальные вопросы о физических процессах за рамками общепринятых теорий.

Природа темной материи и сложность ее прямого обнаружения

Астрономические и космологические наблюдения показывают, что обычное вещество — атомы, из которых состоят звезды, планеты, газ и живые организмы — составляет лишь около 15 процентов от всей массы материи во Вселенной. Остальные 85 процентов приходятся на темную материю. Она не излучает свет, не поглощает его и не взаимодействует с электромагнитным полем, проявляя себя исключительно через гравитацию: удерживает галактики от распада при быстром вращении, отклоняет световые лучи далеких звезд и определяет крупномасштабную структуру космоса.

Основная гипотеза физики элементарных частиц предполагает, что темная материя состоит из массивных частиц, крайне слабо взаимодействующих с обычным веществом. Если эти частицы существуют, то сквозь Землю непрерывно идет их невидимый поток.

Однако вероятность того, что такая частица столкнется с ядром атома в детекторе, ничтожно мала. Чтобы зафиксировать хотя бы единичные соударения, ученым требуются многотонные резервуары из сверхчистых материалов и полная изоляция от внешнего радиационного шума. По этой причине установку LUX-ZEPLIN разместили на глубине почти полтора километра под землей, в стволе бывшей золотой шахты Хоумстейк, где горные породы задерживают космические лучи с поверхности Земли.

Как работает детектор: разделение первичного света и вторичного заряда

Центральный элемент эксперимента LUX-ZEPLIN — двухфазная время-проекционная камера. Она представляет собой герметичный вертикальный цилиндрический резервуар, заполненный семью тоннами жидкого ксенона высокой степени очистки, охлажденного до температуры около минус ста градусов Цельсия. Для надежного анализа физики используют внутренний центральный объем этой жидкости массой 4,71 тонны.

Над поверхностью жидкого ксенона оставлен тонкий слой газообразного ксенона. На верхнем и нижнем торцах цилиндра установлены массивы фотоэлектронных умножителей — датчиков, способных регистрировать отдельные кванты ультрафиолетового излучения.

Процесс регистрации каждого события внутри детектора состоит из нескольких последовательных этапов:

1. Первичный световой сигнал (S1). При столкновении частица передает энергию атомам ксенона, переводя их в возбужденное состояние. В течение десятков наносекунд эти атомы возвращаются в стабильное состояние, испуская короткую вспышку ультрафиолетового света. Датчики сверху и снизу фиксируют этот первичный импульс, получивший обозначение S1.
2. Ионизация и подъем электронов. Одновременно от атомов ксенона отрываются свободные электроны. Внутри резервуара между нижним катодом и сеткой затвора создано постоянное электрическое поле, которое тянет электроны вертикально вверх сквозь толщу жидкости со строго известной скоростью — около полутора миллиметров за одну микросекунду.
3. Вторичный световой сигнал в газе (S2). Достигнув поверхности, электроны попадают в зону действия более сильного электрического поля, которое вытягивает их из жидкости в газ. В газовом слое электроны разгоняются, сталкиваются с атомами газа и вызывают вторичное свечение (электролюминесценцию). Этот сигнал обозначается как S2 и фиксируется верхними датчиками.

Эта схема решает две ключевые задачи:

• Определение трехмерных координат. Картина распределения света вторичной вспышки S2 на верхних датчиках указывает точное положение точки взаимодействия в горизонтальной плоскости. Время задержки между первичным светом S1 и вторичным светом S2 прямо пропорционально расстоянию, которое электроны проплыли от точки удара до поверхности жидкости, что определяет глубину события.
• Распознавание типа частицы. Фоновое излучение (гамма-кванты, электроны бета-распада) взаимодействует с легкими электронами атомов ксенона — это электронная отдача. Частицы темной материи или нейтроны сталкиваются непосредственно с тяжелыми ядрами атомов — это ядерная отдача.

При ядерной отдаче плотность выделения энергии в веществе значительно выше: большинство освобожденных электронов почти сразу притягивается обратно к ионам ксенона. Поэтому ядерная отдача дает сравнительно мало свободных электронов (небольшой сигнал S2) и больше прямого света (сильный сигнал S1). Отношение амплитуд сигналов S1 и S2 позволяет однозначно отличать соударения ядер от основной массы фонового шума.

Причины расширения окна поиска: новые теоретические подходы

В большинстве классических экспериментов физики анализировали только относительно слабые толчки ядер с энергией отдачи от единиц до 50-100 килоэлектронвольт. Этот подход базировался на стандартной модели, где столкновение частицы темной материи с ядром рассматривалось как простой контактный упругий удар двух бесструктурных объектов. В таком базовом сценарии вероятность сильного толчка стремительно уменьшается с ростом энергии.

Однако десятилетия поисков в низкоэнергетической зоне не принесли результатов. В новом анализе команда LUX-ZEPLIN расширила аналитическое окно энергий до 270 килоэлектронвольт. Это решение опирается на развитие двух теоретических направлений:

Эффективная теория поля (NREFT)

Нерелятивистская эффективная теория поля описывает взаимодействия темной материи с протонами и нейтронами ядра в максимально общем виде. Вместо одной стандартной связи вводится набор из пятнадцати независимых квантовомеханических операторов. Эти операторы учитывают:

• Величину импульса, переданного частицей ядру;
• Скорость движения частицы относительно ядра;
• Взаимное направление спина частицы темной материи и спина протонов или нейтронов;
• Орбитальный угловой момент столкновения.

Для целого ряда операторов (например, для оператора, описывающего магнитное дипольное взаимодействие) теоретический спектр соударений имеет максимум не вблизи нуля, а в диапазоне от 100 до 250 килоэлектронвольт.

Модели неупругой темной материи

В этих сценариях частица темной материи устроена сложнее и может существовать в двух состояниях: базовом легком и возбужденном тяжелом с некоторой разницей масс.

При столкновении с ядром налетающая частица переходит в более тяжелое состояние, поглощая часть кинетической энергии. Чтобы такой процесс произошел, начальная энергия движения частицы должна превышать строго определенный порог возбуждения.

В результате легкие соударения с малой передачей энергии становятся физически невозможными. Низкоэнергетическая часть спектра полностью исчезает, а все наблюдаемые события смещаются в область энергий от 150 до 300 килоэлектронвольт.

Анализ аномального сигнала

Применив обновленные критерии отбора к массиву данных за 220 дней работы, исследователи зафиксировали единичное событие с четкими параметрами:

• Время регистрации: 16 июня 2023 года в 21:22:39 по всемирному координированному времени (UTC);
• Энергия отдачи ядра: 248 килоэлектронвольт (с погрешностью плюс-минус 23 килоэлектронвольт);
• Величина первого импульса света: 540 приведенных фотоэлектронов;
• Величина второго импульса заряда: 9268 приведенных фотоэлектронов;
• Положение по высоте: 26,4 сантиметра над нижним катодом;
• Положение по радиусу: 26,9 сантиметра от стенки камеры вглубь объема жидкого ксенона.

В пространстве параметров соотношения света и заряда это событие легло точно в полосу ядерных отдач — на 1,5 сигма ниже расчетного центра этой полосы. При этом оно оказалось удалено на 6,7 сигма от центра полосы электронного шума. Это означает, что вероятность перепутать данное событие с обычным бета-распадом или гамма-излучением исчезающе мала.

Сигнал возник глубоко внутри рабочего объема жидкого ксенона, на значительном удалении от конструкционных стенок и электродов, где обычно накапливаются следы фоновой радиоактивности. Форма импульсов света и заряда подтвердила, что взаимодействие произошло в одной компактной точке.

Проверка фоновых гипотез и исключение инструментальных ошибок

Физика редких событий требует проверки всех известных процессов, которые могли бы случайно воспроизвести подобную картину. Исследователи провели пошаговый анализ всех потенциальных источников помех:

• Быстрые нейтроны естественной радиоактивности. Нейтроны взаимодействуют с ядрами точно так же, как и темная материя. Но чтобы передать ядру ксенона 248 килоэлектронвольт, нейтрон должен обладать начальной энергией более 8 мегаэлектронвольт. Такие быстрые нейтроны с высокой вероятностью сталкиваются с веществом несколько раз подряд и неизбежно попадают во внешние защитные детекторы. Внешняя вето-система (слой жидкого сцинтиллятора и 229 тонн воды, просматриваемые датчиками) не зафиксировала никаких сигналов в момент события.
• Мюоны космического происхождения. Мюоны высокой энергии способны пробивать земную кору и создавать потоки вторичных частиц. Однако последний зафиксированный мюон прошел через внешнюю защиту за 41 минуту до события, а через внутренний объем ксенона — более чем за два часа до него.
• Калибровочные радиоактивные источники. За 25 минут до фиксации события инженеры завершили процедуру калибровки источником кобальта-57. Однако капсула с источником находилась на противоположной стороне бака детектора, а ее гамма-излучение полностью поглощается первыми четырьмя миллиметрами жидкого ксенона и не способно проникнуть в центральную зону.
• События с потерей заряда у стенок (MSSI). Если гамма-квант рассеивается дважды — один раз в центре детектора, а второй в мертвой зоне у стенки или под катодом, где нет электрического поля и электроны не вытягиваются, — два световых импульса могут слиться воедино, сымитировав ядерную отдачу. Расчет показал: чтобы воспроизвести зарегистрированный сигнал, гамма-квант должен был оставить малую долю энергии в центре и затем пролететь более 60 сантиметров сквозь плотный ксенон без единого взаимодействия, что статистически крайне маловероятно.
• Случайное совпадение несвязанных сигналов. Модель случайного наложения изолированных вспышек света и фоновых электронов дает практически нулевой вклад при таких высоких амплитудах энергии.

Суммарный расчетный уровень всех известных фоновых процессов в этой области параметров составляет всего около одной сотой события (0,0106) за все время наблюдений.

Статистическая оценка: локальная и глобальная значимость

Для математической обработки результатов физики применили статистический метод отношения профилированных функций правдоподобия.

Локальная значимость 3,4 сигма достигается в том случае, если сопоставлять данные с конкретной моделью неупругой темной материи (с массой частицы около тысячи масс протона и порогом возбуждения 300 килоэлектронвольт) либо со специфическими операторами эффективной теории поля.

Однако в рамках научной работы авторы сканировали широкий спектр возможностей: двадцать различных операторов эффективной теории поля, различные варианты взаимодействия с протонами и нейтронами, массы частиц от 10 до 4000 масс протона и различные величины энергетических порогов возбуждения. В общей сложности исследователи проверили 293 независимые формы энергетических спектров.

В статистике существует закономерность: чем больше различных теоретических вариантов проверяется одновременно, тем выше шанс случайно найти редкую флуктуацию фона, внешне похожую на один из них. Это явление называют эффектом множественной проверки (Look-Elsewhere Effect).

С помощью численного моделирования десятков тысяч псевдоэкспериментов исследователи рассчитали строгую поправку на этот эффект. В результате глобальная статистическая значимость скорректировалась до 2,6 сигма.

Что это означает для науки и что последует дальше

В физике элементарных частиц принята строгая иерархия оценок: результат на уровне трех сигма считается указанием на возможный эффект («намеком»), в то время как статус достоверного научного открытия присваивается исключительно результатам, достигшим порога в пять сигма.

Поэтому зафиксированное событие на уровне 2,6 сигма нельзя назвать прямым доказательством обнаружения темной материи. Тем не менее, публикация этих данных имеет фундаментальное значение:

1. Новые ориентиры для поиска. Если сигнал вызван реальным процессом, природа темной материи не укладывается в простейшие теоретические схемы. Это указывает на необходимость подробного исследования неупругих моделей и взаимодействий с передачей импульса.
2. Строгие физические ограничения. Эксперимент установил наиболее жесткие в мировой практике верхние пределы на силу связи частиц темной материи с ядрами для широкого класса расширенных теорий.

С 1 апреля 2024 года детектор LUX-ZEPLIN продолжает непрерывный сбор данных при неизменных параметрах электрических полей и систем очистки ксенона. Дальнейший набор статистики позволит однозначно разрешить возникшую интригу: если единичный всплеск был редкой статистической флуктуацией фонового шума, он растворится в растущем массиве наблюдений; если же он отражает реальные процессы, в детекторе неизбежно будут зарегистрированы новые подобные события с высокой энергией отдачи.

Источник: LUX-ZEPLIN experiment