Під землею на глибині майже милі в Південній Дакоті вчені провели безпрецедентний експеримент, який дав нові обмеження для однієї з головних гіпотез про темну матерію, але не виявив її безумовного сигналу. Проєкт LUX-ZEPLIN (скорочено LZ) зібрав найбільший у своєму роді масив даних і перевірив властивості так званих WIMP, тобто слабко взаємодіючих масивних частинок, що довгі роки вважаються ймовірними кандидатами на роль темної матерії. Результати, оприлюднені 8 грудня і подані до журналу Physical Review Letters з попередньою публікацією на arXiv, не дали однозначного підтвердження існування таких частинок, але суттєво звужують області пошуку й допоможуть уникати хибних відчуттів у майбутніх дослідженнях.
WIMP і сонячні нейтрино
Експеримент мав дві головні задачі – перевірити низькомасивну версію WIMP і з’ясувати, чи спроможний прилад фіксувати сонячні нейтрино. Нейтрино – майже безмасові частинки, що народжуються в термоядерних реакціях Сонця; зокрема, один із важливих каналів виробляє так звані бор-8 нейтрино. Команда припускала, що сигнали від деяких варіантів темної матерії можуть нагадувати відбитки від таких нейтрино, тому розрізнення цих джерел було критично важливим.
У центрі установки стоїть циліндрична камера, заповнена рідким ксеноном – приблизно 10 тонн робочої речовини. Коли частинка влучає в атом ксенону, виникає коротка спалахова підсвітка фотонів і вивільнення електронів; система реєструє обидва сигнали і по їхніх співвідношеннях намагається визначити природу зіткнення. За період спостережень від березня 2023-го до квітня 2025-го – загалом 417 днів – дослідники підвищили чутливість приладу й змогли з більшою впевненістю підтвердити взаємодію бор-8 нейтрино з ксеноном на рівні 4,5 сигма. Для фізичних відкриттів зазвичай вважають за надійне позначення 5 сигма, тому до остаточного визнання ще потрібні додаткові дані; проте це значний крок уперед у порівнянні з результатами інших експериментів попереднього року, які були нижчими за 3 сигма.
Про лабораторію й команду
Прилад розташований у Sanford Underground Research Facility у містечку Лід, Південна Дакота -на базі колишньої золотодобувної шахти Homestake. Ця підземна база відома тим, що дає змогу відфільтрувати космічні випромінювання і створити надчисте середовище для вразливих експериментів з рідкими детекторами. LZ очолює команда під проводом Деніела Акеріба – професора фізики частинок, пов’язаного з SLAC National Accelerator Laboratory у Каліфорнії, а одним із провідних дослідників є Рік Гейтскелл з Браунівського університету. Браунівський підрозділ з астрофізики частинок має багаторічний досвід у пошуках темної матерії, а SLAC – одна з потужних лабораторій США, що оперує прискорювачами й інструментами для фундаментальної фізики.
Що таке WIMP простими словами – це гіпотетична частинка, яка майже не взаємодіє з матерією, але має масу; якщо такі частинки існують, то вони могли б пояснити багато аномалій у рухові галактик і розподілі матерії у Всесвіті. Стандартна модель фізики елементарних частинок описує більшість відомих частинок і взаємодій, але не містить пояснення для темної матерії, тому пошуки поза цією моделлю тривають у всьому світі.
Що показали дані й що далі
За словами Гейтскелла, якби вистріл WIMP потрапив у ядро атома ксенону, це спричинило б особливий вид розсіяння – когерентний, коли відбій відбувається від усього ядра одразу, і саме такий спектр енергій учені шукали. У поточних даних такий характерний підпис не виявили. Отже, низькомасивні варіанти WIMP на теперішньому рівні чутливості експерименту не підтверджені.
Команда планує новий, значно триваліший цикл спостережень, який має розпочатися у 2028 році. Тоді прилад працюватиме близько 1 000 днів – рекордний термін для подібних досліджень. Подовження експерименту підвищує ймовірність зафіксувати рідкісні події, серед яких можуть бути не лише інші сигнали нейтрино або WIMP, але й явища, що вказують на фізику поза межами Стандартної моделі.
Гейтскелл наголошує, що сама наука просувається вперед не лише завдяки тріумфам, а й через відсутність очікуваних результатів. “Одне, чого я навчився – не слід уявляти, що природа діє саме так, як ми вважаємо, – сказав він. – Багато з наших красивих теорій випробувалися, і природа просто не пішла тим шляхом”.
