Результати досліджень двох провідних місій з пошуку темної матерії проігнорували загадковий сигнал, виявлений 2020 року. Крім того, фізики встановили нові обмеження для частинок темної матерії. Йдеться про так звані "легкі ферміони".
Разом з тим залишається аксіоматичним, - реальних доказів тому немає, - твердження, що темна матерія становить більшу частину матерії у Всесвіті.
Дослідники навіть склали космічну карту можливого розподілу ТМ, спираючись на дані про "розтягнення" далеких галактик.
Але ми досі не знаємо, що таке темна матерія. Над цією невирішеною загадкою працюють теоретики й експериментатори.
Нова техніка продовжує бити рекорд за рекордом своєю чутливістю до слабких взаємодій частинок. Цього тижня два провідні експерименти з пошуку темної матерії - експеримент XENON на базі Гран-Сассо в Італії та PandaX Китайської підземної лабораторії Цзіньпін - опублікували результати своїх останніх досліджень.
XENON продемонстрував, що дражливий сигнал, про який повідомляли 2020 року, був спричинений фоновим шумом, а не новою фізикою, і встановив суворі обмеження на різні типи темної матерії, на які ті самі фізики посилалися для пояснення сигналу.
Колаборація PandaX провела аналогічний вимір, також не виявивши жодних подій, що перевищують очікуваний фон.
Вчені використовували нульовий результат, щоб вивести найбільш суворі на сьогоднішній день обмеження на гіпотетичні властивості гіпотетичної темної матерії, позначивши її як "легка ферміонна темна матерія".
У таких експериментах, як XENON і PandaX, використовують величезні баки з очищеним рідким ксеноном для пошуку вільних електронів і фотонів, що утворюються під час зіткнення частинок темної матерії з частинками в детекторі.
Обидва експерименти послідовно підвищували свою чутливість завдяки збільшенню кількості ксенону, при цьому поточні ітерації XENON і PandaX-4T використовують близько 6 і 4 тонн рідкого ксенону, відповідно.
Підвищення чутливості також залежить від величезних зусиль з мінімізації фонового шуму, який може виглядати як сигнал.
У сучасних експериментах домінуючий фон виникає через сліди радіоактивних ізотопів в установці або в навколишньому середовищі.
І XENON, і PandaX здебільшого зосереджені на пошуку провідного кандидата в темну матерію - слабко взаємодіючої масивної частинки (WIMP), чия маса має перевищувати 10 Гев/c2.
Очікується, що WIMP в основному розсіюються на атомних ядрах, створюючи характерний сигнал ядерної віддачі. Однак вчені, які вивчають темну матерію, можуть шукати інші сигнали - наприклад, віддачу електронів, - які створюються темною матерією, що не є WIMP.
У червні 2020 року XENON1T, менший попередник XENONnT, показав результат, що привертає увагу: він зареєстрував більше подій віддачі електронів, ніж очікувалося від відомих фонових явищ.
Результати викликали шквал теоретичних досліджень, що моделюють нові частинки. Насамперед - нестандартні нейтрино, легкі бозонні частинки темної матерії та сонячні аксіони. Саме вони були покликані творцями надлишкового сигналу.
Дослідники XENON, однак, визнали невизначеність щодо впливу фону, зумовленого ізотопами тритію. Лише кілька атомів на кілограм ксенону могли б пояснити спостережуваний сигнал.
Тепер XENONnT надав значно поліпшені дані, які не показують жодного надлишкового сигналу. Поліпшення відбулося завдяки збільшенню об'єму ксенону (в 3 рази) і заходам щодо зниження фону.
Зокрема, фізики знизили ймовірність потрапляння тритію в експеримент, переганяючи детектор перед запуском і пропускаючи рідкий ксенон через установки, що видаляють водень і його ізотопи.
Цзінцян Йе з Колумбійського університету, координатор аналізу даних колаборації XENON, каже, що отримані результати ставлять хрест на ідеї, що XENON1T міг виявити темну матерію.
"Ми ніколи не дізнаємося напевно, чим викликане перевищення XENON1T, але тепер ми знаємо, що це не нова фізика", - говорить він.
Група PandaX-4T ретельно вивчила сигнали від віддачі електронів у тому ж енергетичному діапазоні, що і XENONnT. Команда також не знайшла жодних натяків на надлишкові події, хоча експеримент має набагато більше тло за енергій надлишку XENON1T (в основному через залишки тритію, введених в установку для калібрування, які команда поступово видаляє).
Однак експериментатори просіяли свої дані в пошуках специфічних ознак ферміонної частинки темної матерії з масою від 10 до 180 кеВ/c2. Пошук легкої темної матерії був мотивований нещодавньою теоретичною роботою, яка передбачає, що ці частинки можуть поглинатися електронами, створюючи спостережувані сигнали в експериментах із прямого виявлення.
PandaX не виявив таких сигналів, що призвело до визначення обмежень на силу зв'язку між легкою ферміонною темною матерією та електронами. Аналіз був зосереджений на темній матерії, чиї передбачувані взаємодії з електронами описуються векторними і аксіально-векторними операторами.
"Ми вибрали ці взаємодії, тому що вони дуже слабко обмежені астрофізичними і космологічними спостереженнями", - пояснює Ден Чжан з Мерілендського університету в Коледж-Парку.
За її словами, цей вибір дозволив колаборації встановити найсуворіші на сьогоднішній день обмеження. Щоправда, окреме дослідження було орієнтоване на пошук сигналу від легкої ферміонної темної матерії, що взаємодіє з атомними ядрами. Але воно також виявилося правильним.
Той факт, що фізики змогли так швидко перевірити і виключити надлишковий сигнал XENON1T, є успіхом наукового методу, впевнений Х'ю Ліппінкотт із Каліфорнійського університету в Санта-Барбарі, представник ще однієї колаборації, LUX-ZEPLIN (LZ). Аналогічна установка розташована в підземному дослідницькому центрі Сенфорда в Південній Дакоті, який щойно опублікував результати свого першого пошуку WIMP.
За умови постійного вдосконалення протягом наступних кількох років XENON, PandaX і LZ зможуть "досліджувати абсолютно нову область простору параметрів", - сподівається фізик.
Подальше розширення масштабу вже в роботі: дослідники XENON і LZ нещодавно домовилися об'єднати зусилля для створення на порядок потужнішого детектора.
Ліппінкотт додає, що "з такою кількістю ксенону в дуже тихому просторі" вчені могли б вивчати безліч цікавих речей, крім темної матерії, включно з нейтрино і надзвичайно рідкісними процесами.
XENON1T уже продемонстрував такі можливості, вимірявши процес захоплення електронів.
Йе згоден з тим, що надчутливі детектори можуть "побачити" речі, відмінні від тих, для виявлення яких вони були створені.
Він каже, цитуючи Фрімена Дайсона, що нові напрямки в науці найчастіше відкриваються завдяки новим інструментам, а не новим концепціям.
