У експерименті, що проводився глибоко під землею, маленький спалах світла може, іронічно, стати першим виявленням темної матерії.

Ця загадкова субстанція повинна перевищувати звичайну матерію в співвідношенні 5 до 1, але, незважаючи на десятиліття пошуків, вона залишалася досить важкою для виявлення.

Тепер фізики повідомляють про дивний сигнал в експерименті LUX-ZEPLIN (LZ), який має всі характеристики, що очікуються від провідного кандидата на роль темної матерії, і його важко пояснити через відомі фізичні закони.

Результати, які ще не пройшли рецензування, були оголошені на конференції з астрофізики в Японії цього тижня.

Команда обережна у своїх висновках: подія не досягла статистичного порогу, який дозволяє науковцям ефективно виключити інші пояснення.

"Нам дуже цікаво бачити цю подію в даних, в регіоні, де ми очікуємо появу темної матерії, а фонові сигнали дуже низькі", - говорить Рік Гейтскелл, фізик з Університету Брауна та представник LZ.

"З лише однією подією ми не хочемо забігати наперед. Ми не стверджуємо, що побачили темну матерію. Але ми побачили щось цікаве, що хочемо поділитися з науковою спільнотою для їхньої думки".

Ще в 1930-х роках астрофізики зрозуміли, що те, що ми бачимо в космосі, не зовсім відповідає нашим моделям Всесвіту. Здається, що там є додаткова маса, яка в основному взаємодіє з звичайною матерією через свій гравітаційний вплив.

Оскільки вона не випромінює і не відбиває світло, цю загадкову субстанцію назвали "темною матерією".

Яку саме форму вона має, досі невідомо, тому різноманітні експерименти шукали різних потенційних кандидатів, але без успіху.

LZ - це лише один з цих експериментів, і він спеціально налаштований для виявлення сигналів від кандидата на темну матерію, якого фізики називають слабо взаємодіючими масивними частинками (WIMPs).

Ця форма темної матерії складається з дискретних частинок з високими масами і лише слабкими взаємодіями з звичайною матерією, що ускладнює їх виявлення.

Зазвичай WIMPs проходять через звичайну матерію безслідно, але вкрай рідко одна з них може зіткнутися з атомом звичайної матерії, створюючи слабкий спалах світла та електронів.

Експеримент LZ призначений для виявлення цих неуловимих взаємодій. Він складається з величезного резервуара рідкого ксенону з тонким шаром газоподібного ксенону над ним. Якщо WIMP пролетить і вдарить атом, це викликає спалах світла, який фотодетектори на дні резервуара можуть зафіксувати.

Електрони від події піднімаються вгору, і коли вони досягають газоподібного ксенону, вони викликають другий спалах. Час і сила цих двох спалахів можуть багато розповісти науковцям про частинку-джерело.

На жаль, багато інших частинок виробляють подібні сигнали, і роблять це набагато частіше, ніж темна матерія. Тому LZ побудований для зменшення цього фонової шуму.

Першою лінією захисту є 1,5 кілометри (приблизно 0,9 миль) скелі, під якими похований експеримент. Потім є резервуар води, що оточує резервуар з ксеноном, і, нарешті, детектор радіації, який може ідентифікувати інші типи подій.

Ці заходи разом зменшують кількість небажаних частинок від космічних променів або фонової радіоактивності до мінімуму.

Але тепер фізики, які досліджують дані, зібрані за останні кілька років, виявили інтригуючий сигнал. 16 червня 2023 року LZ зафіксував два спалахи світла на правильних енергіях, щоб походити від WIMP, що вдарив в атомне ядро в резервуарі з ксеноном.

Після виявлення кандидата дослідники витратили місяці на аналіз даних, щоб перевірити, чи можна легко пояснити цю подію відомими фоновими процесами.

Енергія події була занадто високою, щоб бути нейтронами або нейтрино – і вони також викликали б нижчі енергетичні розсіювання, які не були зафіксовані.

Якщо це було від блукаючого гамма-променя, йому довелося б пройти незвично довгий шлях через резервуар, вдруге розсіятися так, що не викликало б ще одного спалаху, або уникнути виявлення зовнішніми приладами, призначеними для їх виявлення. Усі ці сценарії виявилися малоймовірними.

Існує також ймовірність, що два спалахи, які спостерігалися, були результатом двох несумісних подій, які просто сталися близько одна до одної за часом. Аналіз даних також показав, що це має дуже низьку ймовірність.

Натомість найкраще пояснення для даних полягає в тому, що це було викликано WIMP з масою понад 200 гігаелектронвольт.

"Вихідні події в даних не є несподіваними, але зазвичай вони виділяються як фонові з якихось причин, коли ви дивитеся на них глибше", - говорить Аарон Маналайз, фізик з Berkeley Lab.

"Це перший приклад у будь-якому експерименті, над яким я працював, коли вихідна подія виглядає дійсною в усіх відношеннях.

"Звичайно, ми все ще намагаємося зрозуміти, чи є рідкісний фоновий механізм, який ми могли б пропустити, але це захоплююче думати, чи може це бути перший натяк на спостереження темної матерії".

Проте, перш ніж хтось почне святкувати, важливо пам'ятати, що це виявлення ще не досягло порогу 5 сигм статистичної значущості, щоб стверджувати про нове відкриття в фізиці частинок. Це означає, що ймовірність того, що фонові ефекти випадково виробляють результати, які спостерігаються, становить приблизно 1 до 3,5 мільйона.

Новий результат LZ наразі має значущість 2,6 сигми, що ставить ймовірність помилки на рівні 1 до 200. Нам потрібно набагато більше даних і більше виявлень, перш ніж ми зможемо бути впевненими, що знайшли темну матерію.

Проте це одне з найпривабливіших підказок, що ми можемо бути на шляху до розв'язання однієї з найскладніших космологічних загадок.

Стаття, що описує цю подію, ще не пройшла рецензування, але була подана до журналу Physical Review Letters. Попередня версія доступна на arXiv.