Тёмная материя, тип материи, которая не излучает, не поглощает и не отражает свет, по прогнозам, составляет большую часть массы Вселенной. Хотя теоретические предсказания указывают на её обилие, обнаружение этой неуловимой материи до сих пор оказалось весьма сложной задачей, оставляя её состав и происхождение загадкой.

Одна из широко изучаемых гипотез заключается в том, что тёмная материя состоит из слабо взаимодействующих массивных частиц , или сокращённо вимпов. Предполагается, что эти частицы взаимодействуют с обычной материей только посредством гравитации и, возможно, посредством слабых ядерных сил.

Эксперимент LUX-ZEPLIN (LZ) — это масштабный исследовательский проект, направленный на поиск сигналов, связанных с присутствием вимпов, с использованием сложного детектора, известного как двухфазная ксеноновая времяпроекционная камера. Исследователи, участвовавшие в эксперименте, недавно опубликовали свои последние результаты в статье в журнале Physical Review Letters , которая устанавливает более строгие ограничения на более лёгкие частицы тёмной материи, которые могли бы получить энергию после столкновения с космическими лучами.

«Основной научной целью этой работы было изучение возможности обнаружения более легких частиц темной материи, чем обычные WIMP», — рассказал изданию Phys.org Юнхэн Сюй, участник коллаборации LZ.

«Более лёгкие частицы тёмной материи сложно исследовать в обычных условиях без усиления. Эта концепция сформировалась в ходе постоянных обсуждений с теоретиками, которые помогли доработать концепцию и выявить возможные экспериментальные признаки в эксперименте LZ».

Эксперимент LZ уже добился значительных успехов в поиске гипотетических частиц тёмной материи. Недавно коллаборация LZ установила самые строгие на сегодняшний день ограничения на вимпы, однако детектор, используемый в эксперименте, может быть использован и для поиска других кандидатов на тёмную материю.

«Детектор демонстрирует беспрецедентную чувствительность к широкому спектру новых или редких физических явлений, и мы намерены в полной мере использовать это для расширения поиска частиц темной материи», — пояснил Айхам Аль Мусали, участник коллаборации LZ.

«Взаимодействие с маломассивными частицами тёмной материи может быть сложно обнаружить, поэтому мы рассматриваем сценарий, в котором рассеяние с космическими лучами в Млечном Пути передаёт им достаточно энергии, чтобы перевести их в более доступный энергетический режим. Это похоже на то, как если бы мы разбили лагерь возле бейсбольного стадиона, чтобы поймать случайные хоум-раны».

Детектор, используемый коллаборацией LZ, представляет собой двухфазную проекционную камеру с жидким ксеноном, заполненную жидким и газообразным ксеноном, расположенную в подземном исследовательском центре Сэнфорда (SURF) в Южной Дакоте. Этот детектор способен регистрировать мельчайшие вспышки света и сигналы ионизации, возникающие при взаимодействии частиц с атомами ксенона.

«В ходе наших исследований мы искали редкие события отдачи ядер, которые могли быть вызваны частицами темной материи, ускоренными до релятивистской скорости космическими лучами, — необычная, но многообещающая характеристика, выходящая за рамки стандартных моделей темной материи», — пояснил Сюй.

В рамках эксперимента LZ Сюй, Аль Мусалхи и их коллеги искали специфические низкоэнергетические сигнатуры в данных, собранных на SURF. Они ожидают, что эти сигнатуры возникнут в результате столкновений частиц тёмной материи с ядрами в плотном жидком ксеноне внутри их детектора.

«Мы можем наблюдать эти сигнатуры в нашей двухфазной ксеноновой времяпроекционной камере, которая способна обнаруживать отдельные фотоны и электроны с помощью двух массивов фотоумножительных трубок», — пояснил Аль Мусали.

«Природа этих сигналов, которая различается в зависимости от рассматриваемого кандидата на роль тёмной материи, хорошо предсказана многочисленными теоретическими работами в литературе, а также моделированием, основанным на измерениях космических лучей».

Хотя исследователи не обнаружили никаких дополнительных событий, которые можно было бы связать с исследуемыми взаимодействиями, они в конечном итоге установили новые ограничения на частицы тёмной материи, которые могут быть усилены столкновениями с космическими лучами. В будущих экспериментальных запусках они увеличат время работы детектора, одновременно с этим занимаясь поиском других кандидатов на тёмную материю.

«В настоящее время мы достигаем замечательного соответствия между нашими данными и фоновыми моделями», — сказал Сюй. «Это подчёркивает наше детальное понимание детектора и его реакции. Такой уровень контроля не только придаёт уверенность нашему нулевому результату, но и позволяет нам устанавливать значимые ограничения на ранее неисследованную область пространства параметров, помогая направить будущие поиски тёмной материи в более перспективные направления».

Новые результаты, опубликованные коллаборацией LZ, вскоре могут стать основой для других исследований частиц тёмной материи, усиленных космическими лучами, с массой менее 1 ГэВ/см². По сути, группа установила новые ограничения на степень взаимодействия этих частиц с обычной материей, исключив взаимодействия, превосходящие 3,9×10⁻³³ см², с уровнем достоверности 90%.

«Как и при любом поиске редких физических явлений, нулевой результат не обязательно плох; он подсказывает нам, где не стоит искать (какие модели мы уже проверили и исключили)», — сказал Аль Мусали. «Мы исключили значительную часть пространства параметров для этих конкретных моделей, хотя многое ещё предстоит исследовать в течение более длительного периода работы и с более мощными детекторами следующего поколения».

Коллаборация LZ продолжает работать над дальнейшим повышением чувствительности детектора, в настоящее время установленного на установке SURF. В будущем этот эксперимент может проверить справедливость различных других моделей тёмной материи, потенциально проливая новый свет на её природу.

«Глубоко изучив возможности нашего замечательного детектора, мы хотели бы расширить его возможности», — сказал Сюй. «Мы рады возможности использовать этот мощный инструмент для изучения более широкого спектра новых физических явлений, которые приводят к редким и экзотическим явлениям в нашем детекторе , продолжая поиск новых физических явлений, скрывающихся в самых тихих уголках Вселенной».

Ожидается, что эксперимент LZ продлится до 2028 года. Собрав еще больше данных, исследователи смогут еще больше сузить диапазон параметров, на которых следует сосредоточиться в будущих поисках темной материи.

«Всегда предстоит сделать больше для улучшения этого анализа, например, использовать направленность галактических космических лучей относительно вращения Земли, что приведет к сидерической суточной модуляции сигнала, чтобы еще больше сузить область исследования», — добавил Аль Мусали.