В експеримент, разположен дълбоко под земята, миниатюрен светлинен проблясък може — колкото и парадоксално да звучи — да се окаже първият регистриран сигнал от тъмна материя.

Смята се, че количеството на тази загадъчна субстанция би трябвало да е пет пъти по-голямо от това на обикновената материя. Въпреки продължаващото от десетилетия търсене обаче тя остава крайно неуловима.

Сега физици съобщават за необичаен сигнал, регистриран от експеримента LUX-ZEPLIN (LZ). Той притежава всички характеристики, които учените очакват от един от водещите кандидати за тъмна материя, и трудно може да бъде обяснен с помощта на познатите ни физични процеси.

Резултатите, които все още не са преминали през научно рецензиране, бяха представени тази седмица на конференция по астрофизика в Япония.

Екипът се въздържа от прибързани заключения: събитието все още не е достигнало прага на статистическа значимост, който би позволил на учените на практика да изключат останалите възможни обяснения.

„Събитието, което открихме в данните, силно ни заинтригува. То попада именно в областта, в която очакваме да се прояви тъмната материя, а възможните източници на фонов шум там са много малко“, казва Рик Гайцкъл, физик от университета „Браун“ и говорител на LZ.

„Тъй като разполагаме само с едно събитие, не искаме да избързваме със заключенията. Не твърдим, че сме наблюдавали тъмна материя. Но видяхме нещо интересно, което искаме да споделим с научната общност и да чуем нейното мнение.“

Една от най-големите загадки на Вселената

Още през 30-те години на XX век астрофизиците осъзнават, че онова, което наблюдаваме в Космоса, не съвпада напълно с моделите ни за Вселената. Изглежда, че в нея има допълнителна маса, чието присъствие се разкрива най-вече чрез гравитационното ѝ въздействие върху обикновената материя.

Тъй като не излъчва и не отразява светлина, тази загадъчна субстанция получава името „тъмна материя“.

Все още не знаем под каква точно форма съществува тя. Затова множество различни експерименти издирват разнообразни потенциални кандидати — засега без успех.

LZ е един от тях. Експериментът е специално проектиран да засича сигнали от кандидат за тъмна материя, който физиците наричат слабо взаимодействащи масивни частици (WIMP).

Както подсказва името им, при тази хипотетична форма на тъмната материя става дума за отделни частици с голяма маса, които взаимодействат изключително слабо с обикновената материя. Именно това ги прави толкова трудни за откриване.

В повечето случаи частиците WIMP би трябвало да преминават през обикновената материя, без да оставят никаква следа. В изключително редки случаи обаче някоя от тях може да се сблъска с атом и да предизвика едва доловим светлинен проблясък и освобождаване на електрони.

Как LUX-ZEPLIN търси частици тъмна материя

Експериментът LZ е проектиран именно за засичането на подобни неуловими взаимодействия. Той се състои от огромен резервоар с течен ксенон, над който има тънък слой газообразен ксенон. Ако частица WIMP премине през резервоара и се сблъска с атом, възниква светлинен проблясък, който може да бъде уловен от фотодетекторите, разположени в долната му част.

Освободените при сблъсъка електрони се насочват нагоре. Когато достигнат газообразния ксенон, те предизвикват втори светлинен проблясък. Времето между двата сигнала и тяхната сила могат да разкрият на учените много за частицата, която ги е породила.

Напречен разрез на експерименталната установка LZ и начина, по който тя може да засича различни частици — потенциално дори такива на тъмната материя. (Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory)

За съжаление, много други частици предизвикват сходни сигнали, при това далеч по-често от тъмната материя. Поради тази причина LZ е конструиран така, че да свежда фоновия шум до минимум.

Първата защитна преграда е скалният пласт с дебелина 1,5 километра, под който е разположен експериментът. Следва резервоар с вода, обграждащ съда с ксенон, а накрая има и детектор за лъчение, способен да разпознава други видове събития.

Взети заедно, тези предпазни мерки ограничават до минимум нежеланите сигнали, породени от космически лъчи или естествена радиоактивност.

Два светлинни проблясъка от 2023 г.

Сега физиците, които анализират данните, събирани през последните няколко години, са открили интригуващ сигнал. На 16 юни 2023 г. LZ регистрира два светлинни проблясъка с енергии, които отговарят точно на очакваното при сблъсък на частица WIMP с атомно ядро в резервоара с ксенон.

След като забелязват този възможен кандидат, изследователите прекарват месеци в анализ на данните, за да установят дали събитието не може да бъде обяснено с някой от известните фонови процеси.

Външният детектор на експеримента LZ помага да бъдат изключени събития, породени от фонови процеси. (Matthew Kapust/Sanford Underground Research Laboratory)

Енергията на събитието е прекалено висока, за да е било предизвикано от неутрони или неутрино. Освен това тези частици би трябвало да причинят и разсейвания с по-ниска енергия, каквито не са регистрирани.

Ако сигналът е бил причинен от случаен гама-лъч, той би трябвало да измине необичайно голямо разстояние през резервоара, да се разсее повторно, без да предизвика още един проблясък, или да остане незабелязан от външните инструменти, предназначени именно за засичането на подобни събития. Всички тези сценарии са определени като малко вероятни.

Възможно е също двата наблюдавани проблясъка да са били породени от две несвързани събития, настъпили почти едновременно по чиста случайност. Анализът на данните обаче показва, че вероятността за това също е изключително малка.

Най-доброто обяснение засега

Обяснението, което най-добре съответства на данните, е, че събитието е било предизвикано от частица WIMP с маса над 200 гигаелектронволта.

„Необичайните събития в данните не са нещо неочаквано, но когато ги разгледате по-задълбочено, обикновено се оказва, че са породени от някакъв фонов процес“, казва Арън Маналасей, физик от Националната лаборатория „Лорънс Бъркли“.

„От всички експерименти, по които съм работил, това е първият случай на аномално събитие, което по всички показатели изглежда напълно достоверно.

Разбира се, все още си блъскаме главите над въпроса дали не сме пропуснали някакъв рядък фонов механизъм. Но е вълнуващо да се запитаме дали това не е първият намек, че действително сме наблюдавали тъмна материя.“

Защо все още не можем да говорим за откритие

Преди обаче някой да отвори шампанското, е важно да припомним, че този резултат все още не е достигнал прага от 5 сигма за статистическа значимост, необходим, за да бъде обявено ново откритие във физиката на елементарните частици. При такова равнище вероятността наблюдаваният резултат да е случаен продукт на фонови ефекти е приблизително 1 на 3,5 милиона.

Новият резултат на LZ засега има статистическа значимост от 2,6 сигма, което означава вероятност за грешка от около 1 на 200. Ще бъдат необходими много повече данни и допълнителни подобни събития, преди да можем уверено да заявим, че сме открили тъмната материя.

Въпреки това резултатът е една от най-интригуващите следи досега, че може би сме поели по пътя към разрешаването на една от най-големите космологични загадки.

Научната статия, в която е описано събитието, все още не е преминала през рецензиране, но е изпратена за публикуване в списание Physical Review Letters. Достъпна е и нейната предпечатна версия в arXiv.

Източник: Science Alert; превод и редакция: Владимир Тодоров