Подземный детектор поймал первый намёк на частицу тёмной материи

Полтора километра горной породы отделяют бак с жидким ксеноном от солнечного света. Бак стоит в шахте бывшего золотого рудника в Южной Дакоте: это детектор LUX-ZEPLIN, десять тонн жидкого ксенона под защитой камня и воды. Годами он ждёт удара частицы тёмной материи по атомному ядру, и такого удара пока никто не видел. Теперь в его данных нашлась одна вспышка, которую никак не удаётся списать на фон, и физики решают, можно ли ей верить.

Тёмную материю напрямую не видел никто. О ней судят по гравитации: галактики вращаются так, будто их держит невидимая масса, которой в несколько раз больше, чем всего видимого вещества вместе взятого. По одной из ведущих гипотез это WIMP, слабо взаимодействующая тяжёлая частица. Обычную материю она почти не замечает, и телескопы её не видят. Поймать её можно только по редкому прямому столкновению с ядром, а для этого нужна тишина. Отсюда и полтора километра камня над баком.

Фон отсеялся весь, кроме одной вспышки

Детектор непрерывно писал сигналы 220 дней, с весны 2023-го по весну следующего года. Через ксенон за это время прошло огромное число посторонних частиц: нейтроны из окружающей породы, радиоактивные примеси в самом баке, космические лучи, просочившиеся даже сквозь такую толщу камня. Компьютер узнаёт этот фон и убирает его. Одно событие он убрать не смог.

Обычно охотники за тёмной материей ищут слабые толчки: ядро ксенона едва вздрагивает и отдаёт немного света. В новом анализе команда впервые разобрала более энергичную часть данных, которую раньше отбрасывали как заведомый фон. Там и нашлось событие с откликом ядра около 248 килоэлектронвольт, заметно выше типичного для лёгких частиц тёмной материи.

Первый выброс, который не развалился

Несколько месяцев исследователи, среди них ведущий автор анализа Сэм Эриксен из Бристольского университета, искали вспышке более скучную причину: сбой аппаратуры, редкий радиоактивный распад, залётный нейтрон. Ни один вариант не подошёл так же хорошо, как столкновение с частицей тёмной материи.

Аарон Маналайсей, физик из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли, признаётся: за всю его практику это первый выброс в данных, который выдержал любую проверку и не развалился на знакомый фон.

2,6 сигмы там, где нужно пять

Представитель коллаборации Рик Гейтскелл из Университета Брауна говорит без обиняков: коллаборация показывает находку сообществу для проверки, об открытии тёмной материи речи пока нет. Сама работа пока вышла препринтом.

Такие находки физики измеряют в сигмах, и чем их больше, тем меньше сигнал похож на случайность. У новой вспышки 2,6 сигмы: шанс, что перед нами обычный фон, невелик, но не нулевой. Примерно так же редко подброшенная монета восемь раз подряд ложится орлом. Открытием в физике частиц называют 5 сигм, а это уже около двадцати двух орлов подряд.

Без повторения это останется намёком

Чтобы вспышка перестала быть совпадением, нужно ещё несколько таких же. Коллаборация копит данные и готовит следующий заход анализа с новой статистикой. Если тёмная материя действительно оставила этот след в ксеноне, его должны повторить будущие месяцы наблюдений. Если нет, в данных так и останется одна точка, которую не удалось списать на фон, и никакого объяснения к ней.