В ходе эксперимента LUX-ZEPLIN (LZ), проводившегося в Южной Дакоте, был зафиксирован сигнал, который потенциально может свидетельствовать о первом прямом обнаружении частицы тёмной материи. Данные об этом были представлены 1 сентября на конференции TeV Particle Astrophysics, состоявшейся в Тендо, Япония. Уровень статистической значимости полученного сигнала составляет 2,6 сигма, что значительно ниже установленного в физике частиц порога в 5 сигма, необходимого для официального объявления открытия. Вероятность того, что данный сигнал является результатом известных фоновых процессов, оценивается приблизительно в 0,5%.

Детектор LZ расположен в подземной лаборатории Санфорд на глубине около 1,5 километра под землей. Массивная толща горных пород обеспечивает защиту от воздействия космических лучей, а внешний водяной резервуар и дополнительные детекторы помогают исключить влияние других частиц, способных имитировать сигналы тёмной материи. Внутри установки находится десять тонн сверхчистого жидкого ксенона. Физики регистрируют крошечные вспышки света, возникающие при столкновении частицы с ядром атома ксенона.

Анализ данных наблюдений, охватывающих период с марта 2023 года по апрель 2024 года (всего 220 дней), был проведен авторами эксперимента. В отличие от стандартных поисков, которые обычно ограничиваются энергиями менее 50 килоэлектронвольт, в данном случае диапазон был расширен до 270 кэВ. После применения процедуры «снятия маскировки» – этапа проверки результатов на предвзятость путем добавления искусственных событий, — в полученном массиве данных остался один необъясненный сигнал, соответствующий столкновению с энергией 248 кэВ.

В случае, если зафиксированный сигнал действительно обусловлен взаимодействием частицы тёмной материи, она, вероятно, принадлежит к категории слабо взаимодействующих массивных частиц, известных как WIMP (Weakly Interacting Massive Particles). На протяжении многих лет эти гипотетические частицы рассматривались в качестве наиболее вероятного объяснения природы тёмной материи – загадочной субстанции, необходимой для удержания галактик от распада и составляющей приблизительно 85% общей массы Вселенной. Предполагаемая масса такой частицы должна превышать 200 гигаэлектронвольт, что в более чем 200 раз больше массы протона, а наиболее вероятная оценка составляет около 1000 ГэВ.

Предыдущие эксперименты, такие как XENON, проводившиеся в итальянской лаборатории Гран-Сассо, и PandaX, осуществлявшиеся в китайской подземной лаборатории Цзиньпин, также искали WIMP (слабо взаимодействующие массивные частицы) в этом энергетическом диапазоне, однако использовали меньшие объемы данных и детекторы меньшего размера. В результате они не выявили ничего, кроме ожидаемого фонового шума. Учитывая историю поисков тёмной материи, где многообещающие сигналы впоследствии оказывались ошибочными, исследователи LZ проявляют особую осторожность в интерпретации полученных результатов.

«Мы не делаем категоричных заявлений о том, что это является тёмной материей. Однако мы зафиксировали любопытное явление и считаем важным поделиться этой информацией с научным сообществом», – отметил Рик Гайтскелл, представитель исследовательской группы из Брауновского университета.

Безуспешные попытки обнаружения WIMP-частиц привели к тому, что многие ученые в последние годы обратили внимание на другие возможные кандидаты, такие как аксионы – очень легкие частицы. Если характер полученного сигнала будет подтвержден, это возродит интерес к WIMP-частицам. В настоящее время физики продолжают искать объяснения феномену, рассматривая возможность возникновения события из-за редкого фонового процесса, например, высокоэнергетического нейтрона, образовавшегося в результате радиоактивного распада. Все предложенные на данный момент гипотезы оказались неадекватными.

В проекте LZ принимают участие 250 ученых и инженеров из 39 различных институтов. Для установления истинной природы сигнала потребуется дополнительный объем данных, поскольку детектор продолжает функционировать. Повторение данного события станет самым значительным достижением в области физики частиц со времени открытия бозона Хиггса.