Пошук темної матерії отримав дві нові підказки — але відкриття ще немає

Дослідження темної матерії просувається одразу кількома напрямами. Один експеримент намагається безпосередньо зафіксувати зіткнення невидимої частинки з кристалом на Землі. Інший шукає в космосі випромінювання, яке могло б утворитися під час анігіляції частинок темної матерії.

Останні результати обох підходів виглядають обнадійливо, але жоден із них не є підтвердженим відкриттям.

SuperCDMS SNOLAB почав перший науковий етап

Чому детектор розташований глибоко під землею

SuperCDMS SNOLAB працює приблизно на 2-кілометровій глибині в підземній лабораторії SNOLAB, розташованій у шахті Vale Creighton поблизу міста Садбері в канадській провінції Онтаріо. Товща гірських порід зменшує потік космічних променів та іншого випромінювання, яке може імітувати сигнал від темної матерії. 81113

Детектори також охолоджують до надзвичайно низької температури — близько 15 мілікельвінів, тобто лише на кілька тисячних градуса вище абсолютного нуля. Це дає змогу зменшити тепловий шум і шукати крихітні порції енергії, які могла б залишити частинка темної матерії під час удару по кристалу. 1215

Що саме шукає SuperCDMS

Експеримент складається з 24 детекторів на основі двох матеріалів — германію та кремнію. Вони об’єднані у вежі й використовують різні технології для одночасного вимірювання тепла та електричного заряду. Така комбінація допомагає знизити енергетичний поріг і відрізняти потенційні сигнали від фонового шуму. 101114

SuperCDMS розрахований передусім на пошук порівняно легких кандидатів у темну матерію. Йдеться, зокрема, про діапазон мас частинок, який може бути складним для великих експериментів, оптимізованих під інші енергії. 69

Чому перші дані ще не означають відкриття

Перший етап збору даних розпочався після приблизно шести місяців введення установки в експлуатацію. Це ще не фінальний запуск із повною чутливістю: дослідники перевіряють роботу детекторів, вивчають фонові сигнали та вдосконалюють методику аналізу. Повномасштабний пошук планують розпочати у 2027 році. 12

Початкові дані все одно можуть дати важливі обмеження для теорій або навіть виявити незвичайну подію. Однак найкращі шанси на надійний результат з’являться після того, як експеримент повністю охарактеризують і виведуть на заплановану чутливість.

У даних Fermi з’явилася гамма-підказка на 43,2 ГеВ

Що виявив новий аналіз

Інша команда проаналізувала 15,5 року відкритих даних телескопа Fermi Large Area Telescope. Дослідники вивчали 13 близьких масивних скупчень галактик і повідомили про вузький надлишок гамма-випромінювання поблизу 43,2 ГеВ. Найбільший внесок, за їхніми даними, дають скупчення Діви, Печі та Змієносця.

Вузька гамма-лінія привертає увагу тому, що деякі моделі темної матерії передбачають появу фотонів із характерною енергією під час анігіляції частинок. Один із можливих сценаріїв пов’язує сигнал із WIMP — гіпотетичними слабковзаємодіючими масивними частинками. Але навіть у такому разі йдеться лише про непряму ознаку, а не про безпосереднє вимірювання темної матерії.

Чому це поки не відкриття

У наданому описі статистичну значущість сигналу оцінено приблизно у 4,3 сигми. Це цікавий результат, але він нижчий за поширений у фізиці частинок поріг у 5 сигм, який зазвичай потрібен для оголошення відкриття. Водночас окремий матеріал конференції для споріднених аналізів сигналу поблизу 43 ГеВ наводить нижчу посттріалову значущість — 3,7 сигми — після врахування так званого ефекту пошуку по багатьох варіантах. Йдеться про статистичний штраф за перевірку багатьох енергій і наборів даних.

Подібна лінієподібна ознака може виникнути й без участі темної матерії. Серед можливих пояснень:

• неточне моделювання астрофізичного гамма-фону;
• випадкова статистична флуктуація, посилена вибором найбільш перспективних енергій або об’єктів;
• особливість роботи приладу, калібрування чи відбору подій.

Попередні дослідження скупчень за даними Fermi-LAT також повідомляли про можливу ознаку поблизу 43 ГеВ, але не виявили глобально статистично значущої лінії. Тому новий результат варто сприймати як напрям для подальшої перевірки, а не як доказ виявлення WIMP.

Як поєднуються ці два пошуки

SuperCDMS і Fermi перевіряють різні властивості можливих кандидатів у темну матерію.

• SuperCDMS — експеримент прямого пошуку. Він очікує, що частинка темної матерії передасть невелику кількість енергії кристалу германію або кремнію.
• Аналіз Fermi — непрямий пошук. Він шукає випромінювання, яке могло б виникнути під час анігіляції частинок у щільних космічних структурах.

Позитивний результат у будь-якому з цих підходів потрібно буде відокремити від звичайного фонового сигналу й підтвердити додатковими спостереженнями. Особливо переконливим було б узгодження незалежних методів, але до такого етапу ще далеко.

Що буде далі

Для підземного експерименту найближча важлива віха — перехід від введення в експлуатацію та раннього наукового етапу до запланованого запуску SuperCDMS із повною чутливістю у 2027 році. Більший обсяг даних і точніше визначення фонів дадуть змогу суворіше перевірити моделі легкої темної матерії. 26

Для гамма-сигналу ключовим випробуванням стане повторюваність. Нові спостереження з кращою чутливістю або енергетичним розділенням мають показати, чи з’являється особливість поблизу 43 ГеВ у тих самих скупченнях і чи відповідає вона передбаченням моделей темної матерії. Важливою була б і перевірка за допомогою іншого інструмента, яка допомогла б виключити систематичні похибки Fermi.

NASA також готує інший підхід. Космічний телескоп Nancy Grace Roman спостерігатиме, як темна матерія розподілена у Всесвіті та як її гравітація впливає на галактики. Широкі інфрачервоні огляди й вимірювання гравітаційного лінзування не призначені для прямого виявлення WIMP, але допоможуть скласти детальнішу карту невидимої матерії.

Разом ці програми показують, чому пошук темної матерії не зводиться до одного експерименту: вчені перевіряють можливі зіткнення на Землі, шукають продукти анігіляції в космосі та вимірюють гравітаційний вплив невидимої речовини на масштабах галактик і Всесвіту.

Найобережніший висновок наразі простий: науковці отримали дві цінні підказки, але остаточної відповіді про природу темної матерії поки немає.