Эксперимент устанавливает новый рекорд в поисках темной материи

Центральный детектор LZ, камера проекции времени, в чистой комнате на поверхности лаборатории перед доставкой под землю. Автор: Matthew Kapust/Sanford Underground Research Facility

Выяснение природы темной материи, невидимой субстанции, составляющей большую часть массы в нашей Вселенной, является одной из величайших головоломок в физике. Новые результаты, полученные самым чувствительным в мире детектором темной материи LUX-ZEPLIN (LZ), сузили круг возможностей для одного из ведущих кандидатов на темную материю: слабо взаимодействующих массивных частиц, или WIMP.

LZ, возглавляемая Национальной лабораторией Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab) Министерства энергетики, охотится за темной материей из пещеры почти в миле под землей в подземном исследовательском центре Сэнфорда в Южной Дакоте. Новые результаты эксперимента изучают более слабые взаимодействия темной материи, чем когда-либо исследованные ранее, и еще больше ограничивают то, чем могут быть WIMP.

«Это новые ведущие в мире ограничения с существенным отрывом по темной материи и WIMP», — сказал Чамкаур Гхаг, представитель LZ и профессор Университетского колледжа Лондона (UCL). Он отметил, что детектор и методы анализа работают даже лучше, чем ожидалось в рамках сотрудничества.

«Если бы WIMP находились в области, которую мы искали, мы могли бы с уверенностью сказать что-то о них. Мы знаем, что у нас есть чувствительность и инструменты, чтобы увидеть, есть ли они там, поскольку мы ищем более низкие энергии и накапливаем большую часть времени этого эксперимента».

Сотрудничество не нашло никаких доказательств существования WIMP с массой свыше 9 гигаэлектронвольт/ ^c2 (ГэВ/ ^c2). (Для сравнения, масса протона немного меньше 1 ГэВ/ ^c2.) Чувствительность эксперимента к слабым взаимодействиям помогает исследователям отвергать потенциальные модели темной материи WIMP, которые не соответствуют данным, оставляя значительно меньше мест, где WIMP могут спрятаться.

Новые результаты были представлены на двух физических конференциях 26 августа: TeV Particle Astrophysics 2024 в Чикаго, Иллинойс, и LIDINE 2024 в Сан-Паулу, Бразилия. Статья будет опубликована в ближайшие недели.

Массив фотоумножительных трубок, предназначенных для обнаружения сигналов от взаимодействий частиц, происходящих в жидкоксеноновом детекторе LZ. Автор: Matthew Kapust/Sanford Underground Research Facility

Результаты анализируют данные за 280 дней: новый набор из 220 дней (собранных между мартом 2023 года и апрелем 2024 года) в сочетании с 60 более ранними днями из первого запуска LZ. Эксперимент планирует собрать данные за 1000 дней до его окончания в 2028 году.

«Если рассматривать поиск темной материи как поиск зарытых сокровищ, то мы копали почти в пять раз глубже, чем кто-либо другой в прошлом», — сказал Скотт Кравиц, заместитель координатора по физике LZ и профессор Техасского университета в Остине. «Это то, что вы не делаете с миллионом лопат — вы делаете это, изобретая новый инструмент».

Чувствительность LZ обусловлена множеством способов, которыми детектор может уменьшить фоны, ложные сигналы, которые могут выдавать себя за взаимодействие темной материи или скрывать его. Глубоко под землей детектор защищен от космических лучей, приходящих из космоса.

Чтобы уменьшить естественное излучение от повседневных объектов, LZ был построен из тысяч сверхчистых деталей с низким уровнем излучения. Детектор построен как луковица, каждый слой которой либо блокирует внешнее излучение, либо отслеживает взаимодействия частиц, чтобы исключить имитаторы темной материи. А сложные новые методы анализа помогают исключить фоновые взаимодействия, особенно те, которые исходят от самого распространенного виновника: радона.

Этот результат также является первым случаем, когда LZ применил «соляние» — технику, которая добавляет поддельные сигналы WIMP во время сбора данных. Маскируя реальные данные до «рассоливания» в самом конце, исследователи могут избежать неосознанной предвзятости и воздержаться от чрезмерной интерпретации или изменения своего анализа.

Члены команды LZ в резервуаре с водой LZ после установки внешнего детектора. Автор: Matthew Kapust/Sanford Underground Research Facility

«Мы продвигаем границу в режим, где люди раньше не искали темную материю», — сказал Скотт Хасельшвардт, координатор физики LZ и недавний стипендиат Чемберлена в лаборатории Беркли, который сейчас является доцентом в Мичиганском университете. «Человеку свойственно хотеть видеть закономерности в данных, поэтому очень важно, когда вы входите в этот новый режим, чтобы не было никаких предубеждений. Если вы делаете открытие, вы хотите сделать его правильно».

LZ использует 10 тонн жидкого ксенона, чтобы обеспечить плотный, прозрачный материал, в который могут врезаться частицы темной материи. Надежда состоит в том, что WIMP ударит ядро ксенона, заставив его двигаться, подобно удару битка в игре в пул. Собирая свет и электроны, испускаемые во время взаимодействий, LZ захватывает потенциальные сигналы WIMP вместе с другими данными.

«Мы продемонстрировали, насколько сильны наши возможности в поиске WIMP, и мы продолжим работать и станем еще лучше, но есть еще много других вещей, которые мы можем сделать с этим детектором», — сказала Эми Коттл, руководитель проекта по поиску WIMP и доцент Университетского колледжа Лондона.

«Следующий этап — использовать эти данные для изучения других интересных и редких физических процессов, таких как редкие распады атомов ксенона, безнейтринный двойной бета-распад, нейтрино бора-8 от Солнца и другие явления физики, выходящие за рамки Стандартной модели. И это в дополнение к исследованию некоторых из самых интересных и ранее недоступных моделей темной материи за последние 20 лет».

Участники коллаборации LZ собираются в подземном исследовательском центре Сэнфорда в июне 2023 года, вскоре после начала недавнего научного эксперимента. Автор: Stephen Kenny/Sanford Underground Research Facility

LZ — это совместный проект примерно 250 ученых из 38 институтов в США, Великобритании, Португалии, Швейцарии, Южной Корее и Австралии; большую часть работы по созданию, проведению и анализу рекордного эксперимента выполняют молодые исследователи.

Сотрудничество уже с нетерпением ждет анализа следующего набора данных и использования новых аналитических приемов для поиска темной материи с еще меньшей массой. Ученые также думают о потенциальных обновлениях для дальнейшего улучшения LZ и планируют детектор темной материи следующего поколения под названием XLZD.

«Наша способность искать темную материю улучшается со скоростью, превышающей закон Мура», — сказал Кравиц. «Если посмотреть на экспоненциальную кривую, то все, что было до этого, — ничто. Просто подождите, пока не увидите, что будет дальше».

Источник: Lawrence Berkeley National Laboratory