Эксперимент LUX-ZEPLIN установил новые ограничения на тёмную материю, ускоренную космическими лучами

Центральный детектор LZ в чистой комнате лаборатории Sanford Lab после сборки, перед отправкой под землю. Детектор содержит 7 тонн жидкого ксенона при температуре -100°C. Фотодетекторы внутри способны улавливать отдельные фотоны и электроны, которые могут возникать при взаимодействии частиц тёмной материи с ксеноном. Автор: Мэттью Капуст, Sanford Underground Research Facility.

Тёмная материя, которая не излучает, не поглощает и не отражает свет, по теоретическим расчётам составляет большую часть массы Вселенной. Однако её состав и происхождение остаются загадкой, так как обнаружить её крайне сложно.

Одна из популярных гипотез предполагает, что тёмная материя состоит из слабовзаимодействующих массивных частиц (WIMP). Считается, что они взаимодействуют с обычной материей только через гравитацию и, возможно, слабое ядерное взаимодействие.

Эксперимент LUX-ZEPLIN (LZ) — масштабный проект по поиску сигналов WIMP с помощью детектора на основе двухфазной ксеноновой времяпроекционной камеры. Недавно исследователи опубликовали новые данные в журнале Physical Review Letters, которые накладывают более строгие ограничения на лёгкие частицы тёмной материи, получившие энергию после столкновения с космическими лучами.

«Главная цель этой работы — поиск более лёгких частиц тёмной материи по сравнению с традиционными WIMP», — пояснил Юнхэн Сюй, участник коллаборации LZ.

Детектор LZ, расположенный в подземной лаборатории SURF в Южной Дакоте, способен фиксировать крошечные вспышки света и ионизационные сигналы, возникающие при взаимодействии частиц с атомами ксенона.

Внешний детектор LZ, используемый для отсеивания фоновой радиации. Синяя труба справа — нейтронный канал для калибровки детектора. Автор: Мэттью Капуст, Sanford Underground Research Facility.

«Мы искали редкие события ядерного отдачи, которые могли быть вызваны частицами тёмной материи, разогнанными космическими лучами до релятивистских скоростей», — добавил Сюй.

Хотя исследователи не обнаружили явных сигналов, они смогли установить новые ограничения на параметры взаимодействия таких частиц с обычной материей. В будущем эксперимент продолжит работу до 2028 года, что позволит сузить область поиска для следующих поколений детекторов.

«Отсутствие сигнала — тоже результат. Мы исключили значительную часть параметров, что поможет направить будущие исследования в более перспективные направления», — отметил Айхам Аль Мусали, участник коллаборации.

Подробнее об исследовании: J. Aalbers et al, New Constraints on Cosmic Ray-Boosted Dark Matter from the LUX-ZEPLIN Experiment, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/nr92-jvt3.