Самый чувствительный детектор в мире сужает поиски тёмной материи

Внешний детектор эксперимента LZ по поиску тёмной материи. Автор: Мэтт Капуст/Подземная исследовательская лаборатория Санфорда

Новые результаты работы самого чувствительного в мире детектора тёмной материи LUX-ZEPLIN (LZ) сузили возможности для одного из главных кандидатов на роль тёмной материи — слабовзаимодействующих массивных частиц (WIMP).

«Хотя мы всегда надеемся обнаружить новую частицу, для физики элементарных частиц важно, что мы можем установить границы того, чем на самом деле может быть тёмная материя», — заявил экспериментальный физик из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре Хью Липпинкотт.

LZ охотится за тёмной материей из пещеры на глубине почти одной мили в Подземной исследовательской лаборатории Санфорда в Южной Дакоте. Новые результаты эксперимента исследуют более слабые взаимодействия тёмной материи, чем когда-либо ранее, и дополнительно ограничивают возможные свойства WIMP.

Результаты, опубликованные в Physical Review Letters, анализируют 280 дней данных: новый набор из 220 дней (собранных между мартом 2023 и апрелем 2024 года) в сочетании с 60 днями из первого запуска LZ. Эксперимент планирует собрать 1000 дней данных до его завершения в 2028 году.

Внутренняя часть детектора LZ состоит из двух вложенных титановых резервуаров, заполненных 10 тоннами прозрачного чистого жидкого ксенона. Эта плотная среда создаёт высокоизолированное пространство, свободное от «шума» внешнего мира и идеальное для захвата самых слабых сигналов, которые могут указывать на WIMP.

Учёные надеются, что WIMP столкнётся с ядром ксенона, заставив его двигаться, подобно удару кия в бильярде. Собирая свет и электроны, испускаемые во время взаимодействий, LZ фиксирует потенциальные сигналы WIMP наряду с другими данными.

Исследователи используют ультрафиолетовый свет для поиска возможного загрязнения пылью в камере проекции времени детектора. Пыль может быть источником фонового шума. Автор: Николас Ангелидес/Цюрихский университет

Чувствительность LZ достигается за счёт множества способов уменьшения фоновых сигналов, которые могут имитировать или скрывать взаимодействие тёмной материи. Находясь глубоко под землёй, детектор защищён от космических лучей.

Для снижения естественной радиации от повседневных объектов LZ был построен из тысяч сверхчистых деталей с низкой радиацией. Детектор построен как луковица, где каждый слой либо блокирует внешнее излучение, либо отслеживает взаимодействия частиц, чтобы исключить имитацию тёмной материи.

Чтобы исключить бессознательную предвзятость, коллаборация LZ применила технику «подсаливания», добавляя поддельные сигналы WIMP во время сбора данных. Маскируя реальные данные до самого конца, исследователи избегают предвзятости и чрезмерной интерпретации.

«Мы продвигаемся в режим, где люди раньше не искали тёмную материю», — сказал Скотт Хасельшвардт. — «Если вы делаете открытие, вы хотите сделать его правильно».

С этими результатами поле возможностей для того, чем могут быть WIMP, резко сузилось, что позволяет всем учёным, ищущим тёмную материю, лучше сосредоточить свои поиски и отвергнуть неверные модели функционирования Вселенной.

LZ — это коллаборация примерно 250 учёных из 38 учреждений США, Великобритании, Португалии, Швейцарии, Южной Кореи и Австралии. Учёные уже планируют анализ следующего набора данных и думают о потенциальных усовершенствованиях LZ, а также о детекторе тёмной материи следующего поколения под названием XLZD.