Сигнал подземного датчика в детекторе темной материи в Южной Дакоте привлек пристальное внимание физиков

Физики, анализирующие данные эксперимента LUX-ZEPLIN (LZ) — сверхчувствительного подземного прибора, предназначенного для поиска темной материи, — выявили неожиданный сигнал в показаниях детектора, что вновь подогрело интерес к поиску недостающей массы Вселенной. Согласно сообщению *The Economist*, необычная электронная сигнатура была зафиксирована 16 июня 2023 года внутри камеры прибора с жидким ксеноном. Хотя физики элементарных частиц подчеркивают, что аномальное показание в конечном итоге может объясняться редким фоновым излучением, шумом прибора или статистическими флуктуациями, а не историческим открытием, это наблюдение сразу же привлекло пристальное внимание мирового физического сообщества. В настоящее время исследователи подвергают это событие исчерпывающим протоколам проверки, чтобы определить, представляет ли оно собой взаимодействие с темной материей или земную ложную тревогу.

## Key facts - Неожиданный сигнал был зарегистрирован детектором темной материи LUX-ZEPLIN (LZ) 16 июня 2023 года. - Эксперимент LZ проводится на глубине 4,850 feet под землей в подземном исследовательском центре Sanford Underground Research Facility в Lead, South Dakota. - Для захвата редких столкновений частиц в приборе используется семь метрических тонн активного жидкого ксенона. - По оценкам, темная материя составляет примерно 85 percent всей материи в космосе, но никогда не наблюдалась напрямую. - Стандарты физики высоких энергий требуют уровня статистической достоверности в пять стандартных отклонений — результат в пять сигма — для заявления об окончательном открытии.

## What happened Сигнал, о котором идет речь, был зафиксирован детектором LUX-ZEPLIN глубоко внутри пещеры, которая ранее была золотым рудником Homestake. 16 июня 2023 года датчики, отслеживающие центральную камеру LZ, зарегистрировали взаимодействие, вызвавшее вспышку света, за которой мгновения спустя последовал вторичный выброс ионизированных электронов. В жидкоксеноновых детекторах темной материи этот механизм двух сигналов позволяет экспериментаторам реконструировать трехмерное местоположение события и разграничивать различные субатомные взаимодействия.

Когда частица сталкивается с ксеноном в центральной камере, она создает первичный ультрафиолетовый свет, детектируемый матрицами фотоэлектронных умножителей. Одновременно столкновение высвобождает электроны, которые притягиваются вверх через жидкий ксенон электрическим полем к газообразному слою в верхней части контейнера. Попадая в газовую фазу, эти электроны создают вторую вспышку света за счет электролюминесценции. Соотношение между первичной вспышкой света и вторичным электролюминесцентным сигналом позволяет ученым отличать обычные фоновые события, такие как гамма-лучи или бета-распад, от потенциальных кандидатов на роль темной материи.

Согласно сообщению *The Economist*, событие, зарегистрированное в середине 2023 года, создало электронную сигнатуру, выделяющуюся из стандартных моделей фона. Чтобы сохранить научную добросовестность, коллаборация LZ использует строгие протоколы data-blinding. В рамках этого процесса данные, собранные в областях, где ожидаются сигналы темной материи, шифруются до завершения оценки фона. Рассекречивание наборов данных ведет к ответственному анализу, в ходе которого аномальные события оцениваются на фоне миллионов фоновых взаимодействий. Событие 16 июня стало предметом повышенного интереса в ходе этой проверки, что побудило к детальной проверке высоковольтных систем, оптических датчиков и блоков криогенной стабилизации.

## Why it matters Поиск темной материи представляет собой одно из наиболее фундаментальных направлений в физической науке. Астрофизика и космология установили, что видимая материя — каждая звезда, планета и субатомная частица, описанная Стандартной моделью физики элементарных частиц, — составляет менее 15 percent всей материи во Вселенной. Остальные 85 percent существуют в неизвестной форме, которая оказывает гравитационное притяжение, но не поглощает, не отражает и не излучает свет.

Подтверждение прямого физического взаимодействия между темной материей и атомными ядрами кардинально изменило бы представление человечества о природе. Это дало бы первое прямое экспериментальное доказательство за пределами Стандартной модели, которая определяла физику элементарных частиц на протяжении полувека, но не в состоянии объяснить гравитационные аномалии в космических масштабах или космическую асимметрию материи и антиматерии.

Кроме того, определение точной массы и свойств взаимодействия частиц темной материи дало бы важнейшие эмпирические параметры для теоретической физики. Если сигнал, зарегистрированный LZ, отражает подлинную темную материю, он может подтвердить такие теоретические концепции, как суперсимметрия, или указывать на легкие аксионы, темные фотоны или стерильные нейтрино. И наоборот, если расследование покажет, что сигнал является неожиданным фоновым эффектом, полученные результаты все равно предоставят важные данные, позволяющие ученым усовершенствовать алгоритмы подавления фона и построить более чувствительные детекторы в будущем.

## The background Концепция темной материи возникла в начале 20th века, когда астрономы заметили расхождения между видимой массой космических структур и гравитацией, необходимой для удержания их вместе. В 1933 году швейцарский астрофизик Fritz Zwicky измерил орбитальные скорости галактик в скоплении Coma Cluster и пришел к выводу, что скопление содержит значительно больше невидимой массы, чем видимые звезды. В 1970-х годах американские астрономы Vera Rubin и Kent Ford предоставили убедительные наблюдательные доказательства, проанализировав кривые вращения спиральных галактик и показав, что внешние звезды вращаются с неожиданными скоростями, требующими массивных гало из невидимой материи.

Современные космологические измерения, включая карты космического микроволнового фона космического телескопа Planck Европейского космического агентства, подтверждают, что темная материя составляет примерно 26.8 percent от общего бюджета энергии и материи Вселенной. Основным кандидатом на роль темной материи долгое время являлась гипотетическая частица WIMP (Weakly Interacting Massive Particle) — гипотетические субатомные частицы, возникшие в ранней Вселенной, которые взаимодействуют только через гравитацию и слабое ядерное взаимодействие.

Чтобы обнаружить WIMP, экспериментаторы должны защитить приборы от космических лучей. Коллаборация LUX-ZEPLIN объединила два пионерских эксперимента: детектор Large Underground Xenon (LUX) и эксперимент ZEPLIN-III. Находясь на глубине 4,850 feet под Lead, South Dakota, на базе Sanford Underground Research Facility, LZ защищен почти милей горной породы, которая ослабляет мюоны космических лучей в миллионы раз.

Эксперимент LZ включает в себя центральную проекционную камеру, заполненную 10 метрическими тоннами сверхчистого жидкого ксенона, семь тонн из которых служат активной мишенью. Ксенон выбран за его высокую плотность и оптическую прозрачность, что делает его идеальной мишенью для редких ядерных отдач. Центральный сосуд подвешен внутри внешнего детектора, содержащего жидкий сцинтиллятор, и помещен в массивный бак со сверхчистой водой для экранирования фонового излучения.

Предыдущие эксперименты по поиску темной материи сталкивались с интригующими сигналами, которые требовали тщательной переоценки. В 2020 году в рамках эксперимента XENON1T в Италии было зарегистрировано превышение событий отдачи электронов низкой энергии. Однако последующий анализ, проведенный на модернизированном эксперименте XENONnT, показал, что это превышение, скорее всего, было вызвано следовыми количествами радиоактивного загрязнения тритием или неучтенными фоновыми источниками, а не новой физикой.

## Reaction Предварительные результаты эксперимента LUX-ZEPLIN вызвали сдержанное любопытство и осторожный скептицизм со стороны физиков по всему миру. В то время как экспериментаторы в составе коллаборации LZ сохраняют аналитическую сдержанность, физики-теоретики начали оценивать потенциальные модели сценариев, чтобы определить, какие субатомные процессы могут генерировать подобную сигнатуру.

Физики, не входящие в коллаборацию, подчеркнули необходимость проявления терпения, напомнив о прошлых случаях, когда аномальные экспериментальные сигналы исчезали по мере получения более крупных наборов данных или улучшения моделирования фона. Эксперты сообщества указывают, что в чувствительных поисках темной материи крайне редкие радиоактивные изотопы — такие как продукты распада радона, krypton-85 или следы argon-37 — могут имитировать потенциальные сигналы темной материи, несмотря на самые современные методы очистки.

Исследователи из конкурирующих проектов по поиску темной материи, включая коллаборацию XENONnT в Laboratori Nazionali del Gran Sasso в Италии и команду PandaX-4T в Jinping Underground Laboratory в Китае, внимательно следят за прогрессом LZ. Эти независимые консорциумы эксплуатируют жидкоксеноновые детекторы сопоставимого масштаба. Если сигнал, зарегистрированный LZ, отражает реальное физическое явление, параллельные сигнатуры должны со временем проявиться в наборах данных этих международных партнерских установок.

## What we don't know yet Остаются существенные операционные и аналитические вопросы относительно события 16 июня 2023 года, зарегистрированного детектором LUX-ZEPLIN. Что наиболее критично, исследователи еще не подтвердили публично, представляет ли сигнал собой отдачу ядра — классическую сигнатуру, ожидаемую от тяжелого WIMP при столкновении с ядром ксенона — или отдачу электрона, что могло бы указывать на альтернативные кандидаты, такие как аксионы, солнечные нейтрино или незначительные фоновые загрязнения.

Кроме того, статистическая значимость зарегистрированного события остается нераскрытой. В физике элементарных частиц заявление об открытии требует достижения уровня достоверности в пять сигма, что соответствует вероятности менее одного на миллион того, что сигнал является случайной фоновой флуктуацией. Текущие данные могут представлять собой статистическое отклонение низкой значимости, а не повторяющуюся тенденцию.

Также остается неизвестным, дали ли последующие сеансы наблюдений с 2023 по 2026 год дополнительные события, соответствующие характеристикам всплеска 16 июня. Пока коллаборация LZ не завершит процедуру unblinding и статистическое моделирование своего многолетнего набора данных, ученые не могут исключить артефакты приборов, события электрического разряда или мельчайшие следовые примеси в матрице жидкого ксенона.

## What to watch В ближайшие месяцы несколько ключевых этапов прояснят природу аномального сигнала, зарегистрированного в ходе эксперимента LZ: - Публикация полного анализа многолетнего набора данных LZ, в котором будут представлены официальные графики энергетического спектра, оценки фона и уровни статистической достоверности. - Результаты калибровки в отношении следовых радиоактивных изотопов, в частности целевые сеансы, оценивающие эффективность подавления радона и производительность удаления криптона в дистилляционной колонне ксенона. - Результаты перекрестной проверки из конкурирующих подземных экспериментов, в частности XENONnT в Италии и PandaX-4T в Китае, которые в настоящее время формируют независимые наборы данных многотонной экспозиции. - Презентация результатов на крупнейших международных физических конференциях, таких как International Conference on High Energy Physics (ICHEP) и серия конференций Dark Matter, где экспериментаторы столкнутся с прямой рецензией коллег.

Этот отчет основан на оригинальном новостном материале, опубликованном в *The Economist*.