Довга "полювання за темною матерією" принесла перші і несподівані результати

Jun 22 7:00 2020 Друк цієї статті

Поки ще ці вчені не можуть стверджувати, що їм, нарешті, вдалося виявити таємничу темну матерію, вони лише виявили збільшення кількості певних подій, джерело яких залишається невідомою величиною. Деякі параметри цих подій містять підпис, яка може бути наслідком присутності залишкових слідових концентрацій тритію (атомів водню з одним протоном і двома нейтронами), але все це може також бути і ознаками чогось більш екзотичного - існування частинки, що називається сонячним аксионом, або прояви раніше невідомих властивостей частинок нейтрино.

Нагадаємо нашим читачам, що датчик експерименту XENON1T розташовується глибоко під горою Gran Sasso в Італії і він працював в проміжку з 2016 по 2018 рік. Як вже згадувалося вище, головним завданням цього датчика було виявлення темної матерії, на частку якої, як припускають вчені, припадає 85 відсотків від загальної кількості матерії у Всесвіті. Детектори датчика XENON1T, що має певний діапазон чутливості, орієнтовані на пошуки так званих WIMP-частинок (Weakly Interacting Massive Particle), які вважаються одним з основних кандидатів на посаду частинок темної матерії. І, як наслідок високої чутливості датчика, експеримент XENON1T виявився здатний збирати дані про різних інших частинках і екзотичних взаємодіях між ними, які можуть пояснити недозволені поки питання в області фундаментальної фізики. Зазначимо, що саме за допомогою цього датчика в минулому році вченим вдалося зареєструвати найрідкісніший з усіх відомих видів ядерного розпаду.

Датчик XENON1T заповнений 3.2 тоннами надчистого охолодженого ксенону, що перебуває в рідкому стані. В активній області датчика, за якою спостерігають "очі" високочутливих оптичних детекторів, знаходиться безпосередньо 2 тонни ксенону. Ці оптичні детектори вловлюють навіть самі слабкі світлові сигнали, породжувані вільними електронами, вибитими з атомів ксенону іншими частками. Більшість зареєстрованих світлових сигналів має відношення до взаємодій атомів ксенону з відомими частинками, і ці сигнали створюють свого роду постійний фон. Саме в цьому фоні, порівнюючи його з теоретичними і практичними значеннями, отриманими в ході інших експериментів, вчені знайшли надлишок сигналів певного роду, 53 зайвих події на тлі очікуваних 232 подій.

Як вже згадувалося вище, деякі параметри подій вказують на те, що їх джерелом можуть бути атоми тритію, крихітне кількість яких так чи інакше зуміло пройти крізь процедуру очищення ксенону для датчика. Радіоактивний тритій спонтанно розпадається, випускаючи електрон, енергія якого приблизно відповідає параметрам реєстрованих сигналів. І для того, щоб пояснити надлишок таких подій буде потрібно всього кілька атомів тритію на кожні 10^25 (10,000,000,000,000,000,000,000,000) атомів ксенону. На жаль, в даний час не існує методик вимірювань, за допомогою яких можна або підтвердити, або спростувати наявність такого вкрай малу кількість тритію у ксенон і тому таке пояснення спостережуваного феномена знаходиться під знаком питання.

Все вищесказане відкриває простір для польоту фантазії і можливостей існування інших варіантів пояснень. Більш того, надлишкові сигнали мають енергетичний спектр, подібно спектру, очікуваного від присутності сонячних аксионов, гіпотетичних частинок, народжених у надрах Сонця. Сонячні аксіони не входять в ряд кандидатів частинок темної матерії, але їх виявлення і вивчення може мати дуже великий вплив на наше розуміння фундаментальної фізики, процесів, задіяних в астрофізичних явища різних масштабів. При цьому вважається, що аксіони, що виникли в перші періоди існування Всесвіту, згодом стали джерелом темної матерії.

Також джерелом надлишкових сигналів можуть бути частинки нейтрино, трильйони яких проходять кожну секунду через кубічний сантиметр об'єму простору. Якщо магнітний момент частинок нейтрино трохи вище значення, що визначається Стандартною моделлю фізики елементарних частинок, то такі частинки могли викликати характерні сигнали в датчику XENON1T і вони, паралельно з цим, є вказівкою на існування зовсім нових областей фізики, не вписуються в рамки Стандартної моделі, в рамках фундаментальної фізики.

Параметри надлишкових сигналів мають найбільший рівень збіги з теоретичними сигналами від сонячних аксионов. Наявна кількість даних про ці події забезпечують статистичну достовірність в 3.5 сигма, означає, що існує вірогідність 2/10000 того, що спостережувані відхилення (надлишок) сигналів носить випадковий характер або є результатом похибки вимірювань. 3.5 сигма - це вже досить високе значення, для того, щоб приймати його всерйоз, а гіпотези щодо тритію і магнітного моменту нейтрино мають більш низьку достовірність, рівну 3.2 сигма.

В даний час обладнання експерименту XENON1T проходить стадію черговий модернізації, після чого експеримент отримає наступне назву серії XENONnT. Кількість маси ксенону в активній області датчика буде збільшено в три рази і у стільки ж разів буде знижений рівень шуму, вироблюваний власне датчиком. Все це дозволить вченим отримати більш точні дані щодо відхилень у фоновому сигналі та підняти рівень достовірності даних до потрібних 5 сигма, з упевненістю відповівши на питання, хто ж дійсно є винуватцем - просте забруднення ксенону тритієм, нова частинка або вид взаємодій, що виходить за межі відомої нам фізики?