LZ зафіксував аномальну подію — але темну матерію ще не відкрито

Один незвичний сигнал — це привід уважно перевіряти дані, але не привід оголошувати про знайдення темної матерії. Саме такий статус має новий результат LUX-ZEPLIN (LZ): детектор зареєстрував одну високоенергетичну подію, яку поки непросто пояснити відомими фоновими процесами. 17

Що саме побачив LZ

LZ — великий детектор із рідким ксеноном, розміщений майже за 1,5 км під землею в Sanford Underground Research Facility у штаті Південна Дакота. Товща породи над ним відсіює значну частину космічного фону, що особливо важливо для пошуків надзвичайно рідкісних взаємодій. 17

У новому аналізі команда розглянула 220 «живих» діб роботи детектора — дані, зібрані від березня 2023 року до квітня 2024 року. На відміну від звичайного пошуку WIMP у нижчому енергетичному діапазоні, вікно ядерних відскоків розширили приблизно до 270 кеВ, щоб перевірити моделі, у яких темна матерія може давати енергійніші зіткнення. 17

У вибірці знайшли одну подію, характеристики якої відповідають відскоку ядра ксенону з енергією приблизно 248 кеВ. Вона лежить у ділянці, де прогнозований внесок від відомого фону малий.

Чому це інтригує, але не є відкриттям

Після врахування так званого ефекту пошуку в багатьох варіантах моделей — look-elsewhere effect — глобальна значущість події становить 2,6σ. Це відповідає орієнтовно 0,5% імовірності побачити подібне відхилення за припущення, що працюють лише відомі фонові процеси. Найбільша локальна значущість серед перевірених моделей сягнула 3,4σ.

Цифра 2,6σ є достатньою, щоб подію оприлюднити та ретельно досліджувати. Але вона далека від стандарту 5σ, який у фізиці частинок зазвичай застосовують для оголошення відкриття. До того ж одна-єдина подія не дає змоги перевірити, чи повторюється сигнал, і не дозволяє надійно відокремити нову фізику від неочікуваного рідкісного фону. 17

Інакше кажучи: LZ не «зловив частинку темної матерії». Експеримент побачив цікавий виняток у дуже чистому діапазоні даних.

Які пояснення розглядають

Якщо подія справді була наслідком взаємодії WIMP — слабковзаємодіючої масивної частинки, одного з кандидатів на темну матерію, — інтерпретація вказувала б на відносно важку частинку: щонайменше близько 200 ГеВ/c². Її взаємодія зі звичайною речовиною мала б бути складнішою, ніж у найпростішій моделі спін-незалежного розсіювання WIMP. 17

Проте альтернативне пояснення не менш важливе: це може бути рідкісна конфігурація фону, яку не охопила поточна модель детектора. Колаборація перевірила низку таких можливостей і наголошує, що аномальні поодинокі події в експериментах із рідкісними процесами часто зрештою виявляються фоновими. 17

Що має розставити крапки над «і»

LZ продовжує набирати дані та прагне до експозиції в 1 000 «живих» діб; у колаборації вже є більший набір даних, ніж використаний у цьому аналізі. Якщо це прояв WIMP, у майбутній вибірці мають з’явитися нові події з узгодженими енергіями та просторовим розподілом. Якщо ж нинішній сигнал був статистичним коливанням або пропущеним видом фону, такого повторення не буде. 17

У середині 2030-х років може запрацювати запропонована обсерваторія XLZD. Її ксенонова мішень задумана приблизно на порядок більшою за сучасні установки. Такий масштаб дасть суттєво більшу статистику та кращі можливості відрізняти сигнал від фону: або перевірити сценарій із важкими WIMP значно переконливіше, або звузити допустимі параметри їхньої взаємодії. 17

Окремий успіх XENONnT: не темна матерія, а сонячні нейтрино

Новина від LZ не слід змішувати з іншим важливим результатом експерименту XENONnT в італійській лабораторії Гран-Сассо. XENONnT повідомив про перше спостереження низькоенергетичних сонячних нейтрино через їхнє пружне розсіювання на електронах із достовірністю 5σ. Сигнал переважно створюють pp-нейтрино — продукти протон-протонного термоядерного циклу, який живить Сонце. 69

Вимірювання сягнуло порогу енергії нейтрино близько 17 кеВ — найнижчого заявленого порогу для прямої реєстрації нейтрино. 69

Ще 2024 року XENONnT оприлюднив перші свідчення реєстрації сонячних нейтрино бору-8 через когерентне пружне розсіювання нейтрино на ядрах, або CEνNS. Воно породжує ядерні відскоки — тобто сигнали, схожі на ті, які шукають у ксенонових експериментах із WIMP. У тому аналізі зафіксували 37 подій за очікуваного фону 26,4, що відповідало значущості 2,73σ. 311

Чому ці експерименти важливі

Надчисті ксенонові часові проєкційні камери поступово перетворюються з вузькоспеціалізованих детекторів темної матерії на багатофункціональні обсерваторії рідкісних подій. Вони одночасно шукають WIMP, вимірюють потоки сонячних нейтрино через відскоки електронів і ядер, перевіряють властивості нейтринних взаємодій та вдосконалюють контроль фону. 179

Саме цей контроль стає дедалі важливішим, бо майбутні експерименти наближатимуться до «нейтринного туману» — рівня, на якому нейтрино стають невіддільним фоном для частини пошуків темної матерії. Один загадковий сигнал LZ поки не прориває цей туман, але показує, наскільки далеко зайшла чутливість таких установок.