Эксперимент LUX-ZEPLIN (LZ), расположенный на глубине около 1,5 км под землей в бывшей золотой шахте в Южной Дакоте, зарегистрировал один необычный сигнал, который исследователи не смогли уверенно связать с известными фоновыми процессами. Событие произошло в ходе 220 дней наблюдений и соответствует ядерной отдаче с энергией около 248 кэВ. Результат оказался интересен для поиска темной материи, однако его статистическая значимость пока недостаточна для объявления физического открытия.
Данные LZ показывают, что зарегистрированный импульс имел энергию 248 ± 23 кэВ с учетом статистической неопределенности и еще ±23 кэВ систематической неопределенности. Событие попало в расширенный диапазон поиска ядерных отдач — примерно до 270 кэВ. Именно такие отдачи могут возникать при столкновении неизвестных частиц с ядрами ксенона, поэтому физики рассматривают несколько вариантов объяснения сигнала.
LUX-ZEPLIN представляет собой детектор на жидком ксеноне. Общая масса ксенона в установке составляет около 10 тонн, а анализируемая активная область в этой работе соответствовала 4,71 тонны вещества. За 220 дней был накоплен объем данных, эквивалентный экспозиции 2,84 тонно-года. Большая глубина установки нужна для подавления космического излучения и других процессов, способных имитировать редкое взаимодействие частиц с ядрами атомов.
Особенность обнаруженного события заключается в том, что ожидаемый уровень известного фона в соответствующей области оказался очень низким. В опубликованном анализе оценка фонового ожидания составила около 0,0106 события. При этом исследователи отдельно проверяли возможные варианты, включая нейтронные события и особенности работы самого детектора. Команда LZ не смогла определить конкретный известный процесс, который убедительно объяснял бы зарегистрированный импульс.
Именно здесь возникает связь с темной материей. Одним из кандидатов на роль частиц темной материи остаются WIMP — гипотетические массивные частицы, которые могут очень слабо взаимодействовать с обычным веществом. Если такая частица столкнется с ядром ксенона, детектор способен зарегистрировать отдачу ядра. Однако обнаруженный сигнал плохо соответствует простейшему сценарию поиска WIMP, для которого LZ изначально создавался. Поэтому исследователи рассматривают более сложные модели взаимодействия, включая варианты с неупругим рассеянием.
Статистика пока не позволяет говорить об открытии. Максимальная локальная значимость события при проверке различных моделей достигла 3,4 сигмы, но после учета так называемого эффекта «look-elsewhere» глобальная значимость составила 2,6 сигмы. В физике элементарных частиц общепринятым ориентиром для заявления об открытии считается уровень в 5 сигм. Поэтому нынешний результат означает лишь наличие напряжения между наблюдением и гипотезой о полностью известном фоне, а не доказанное обнаружение темной материи.
Оценка примерно в 0,5% означает, что вероятность получить подобное отклонение при предположении об известных фоновых процессах остается небольшой, но не настолько, чтобы исключить статистическую случайность. Это принципиальная разница между необычным событием и физическим открытием. Для окончательной проверки потребуется больше данных, которые позволят установить, повторяется ли аналогичный тип отдач.
После публикации результата появились и альтернативные теоретические объяснения. В нескольких работах физики предложили рассматривать неупругую темную материю, при которой высокоэнергетическая отдача может возникать естественнее, чем в стандартном сценарии. Другие исследователи рассматривают модели с аксионным порталом или темными фотонами. Эти работы показывают, что событие можно встроить в различные теоретические конструкции, но сами по себе такие модели не подтверждают природу зарегистрированной частицы.
LUX-ZEPLIN — международный эксперимент по прямому поиску темной материи, работающий в Sanford Underground Research Facility в Южной Дакоте. Установка использует жидкий ксенон в качестве мишени и регистрирует крайне редкие взаимодействия частиц с атомными ядрами. Темная материя считается одним из ключевых нерешенных вопросов современной физики: ее существование подтверждается космологическими и астрофизическими наблюдениями, но ее микроскопическая природа до сих пор не установлена. Новый результат LZ поэтому представляет интерес прежде всего как необычный кандидат для дальнейшей проверки, а не как подтвержденное открытие.