Вимпы-невидимки: темная материя играет в прятки с детектором LUX ZEPLIN

Международная коллаборация LUX ZEPLIN (LZ), объединяющая более 200 ученых и инженеров из 40 научных организаций по всему миру, опубликовала первые результаты масштабного эксперимента по поиску темной материи. Исследования проводятся в специально оборудованной лаборатории Стэнфордского подземного исследовательского центра, расположенного в Южной Дакоте.

Ядром экспериментальной установки служит уникальный детектор, содержащий семь тонн жидкого ксенона. В природе ксенон существует в виде инертного газа, входящего в состав земной атмосферы, но для эксперимента его преобразовали в жидкую форму. Когда любая частица сталкивается с атомами вещества, происходит мгновенная вспышка света, которую способны зафиксировать сверхчувствительные датчики.

Главная цель проекта - найти гипотетические частицы темной материи под названием вимпы (WIMP - weakly interacting massive particles). Они крайне слабо взаимодействуют с обычным веществом, что делает их обнаружение чрезвычайно сложной задачей.

Физики тщательно изучили пять различных вариантов контакта частиц с материей, каждый из которых имеет серьезное теоретическое обоснование. Особую важность представляет тот факт, что выявление определенного типа взаимодействия может указывать на сложную структуру вимпов - возможно, вместо единого целого они представляют собой комплекс из нескольких заряженных компонентов.

Один из руководителей работы, Майкл Уильямс, отмечает беспрецедентную чистоту эксперимента. Внутри аппаратуры регистрируется лишь несколько событий в сутки, что делает ее самым радиационно-чистым пространством на Земле для наблюдения за ядерными отскоками. Такой низкий фон необходим, поскольку следы темной материи могут проявиться всего несколько раз за целый год измерений.

Для того, чтобы различать два принципиально разных типа сигналов, команда создала сложную систему. В первом случае частица отскакивает от ядра атома ксенона, словно бильярдный шар. Во втором - неизвестный объект выбивает электрон из внешней оболочки атома. Кажется, что эти явления практически идентичны, но установка способна улавливать тончайшие различия.

Статистический анализ данных с первого этапа наблюдений не выявил явных признаков искомого вещества. Однако за время работы с установкой ученые научились гораздо точнее определять ее технические возможности и теперь могут измерять энергию частиц в более широком диапазоне. По словам Сэма Эриксена, это позволило не только повысить чувствительность детектора, но и открыло путь к поиску новых, ранее недоступных для наблюдения проявлений темной материи.

В ближайшие годы детектор LZ продолжит собирать данные. Физики рассчитывают, что растущий объем информации поможет им точнее определить свойства вимпов. "Мы либо стоим на пороге фундаментального открытия, либо сможем исключить некоторые разновидности темной материи из рассмотрения и сосредоточиться на наиболее перспективных направлениях поиска", - отмечают исследователи .