|
Поиск темной материи сужается
|
|
|
|
Австралийские исследователи сыграли центральную роль в достижении знаковых результатов эксперимента LUX-ZEPLIN (LZ) в Южной Дакоте — самого чувствительного в мире детектора темной материи. Сегодня ученые, работающие над экспериментом, сообщают, что они еще больше сузили круг предполагаемых частиц темной материи. И впервые в ходе эксперимента были обнаружены неуловимые нейтрино, образующиеся глубоко внутри Солнца.
|
|
|
|
Ученые предполагают, что темная материя составляет около четверти массы Вселенной (или 85% ее вещества), но им еще предстоит точно определить, что именно составляет это странное явление. Результат, объявленный сегодня экспериментом LZ, является одним из самых чувствительных измерений в мире в поисках темной материи. Он расширил область поиска вимпов (слабо взаимодействующих массивных частиц) до масс, приблизительно в три-девять раз превышающих массу протона, положительно заряженной частицы в ядре атома.
|
|
|
|
Доктор Тереза Фрут (Theresa Fruth) из Школы физики Сиднейского университета является одним из двух австралийских исследователей в международной коллаборации, состоящей из 250 человек.
|
|
|
|
Доктор Фрут, который сыграл важную роль в вводе в эксплуатацию детектора LZ в Южной Дакоте, сказал, что полученный результат является важной вехой в этой области.
|
|
|
|
"Удивительно, что наш детектор теперь достаточно чувствителен, чтобы улавливать нейтрино от Солнца", - сказал доктор Фрут. "Мы открываем новое окно в физику солнца и нейтрино, одновременно продолжая охоту за темной материей".
|
|
|
|
|
|
|
Доктор Фрут работает над LZ в течение десяти лет, в том числе в Оксфордском университете и Университетском колледже Лондона, и продолжает играть активную роль в операционной деятельности и анализе данных.
|
|
|
|
К ней присоединился австралийский коллега доктор Роберт Джеймс из Мельбурнского университета, который руководил ключевыми аспектами статистического вывода, лежащего в основе новых результатов.
|
|
|
|
Доктор Джеймс сказал: "В настоящее время LZ может похвастаться первым в мире статистически значимым наблюдением солнечных нейтрино на боре-8 с помощью нейтринно-ядерного рассеяния, а также ведущими в мире пределами исключения темной материи, превышающими 5 ГэВ.
|
|
|
|
"Было захватывающей задачей смоделировать детектор в этом новом режиме, и я очень рад тому, что будет дальше".
|
|
|
|
Доктор Фрут и доктор Джеймс являются сотрудниками Центра передового опыта ARC в области физики элементарных частиц темной материи.
|
|
Углубляясь в область параметров темной материи
|
|
|
|
Чтобы получить этот результат, LZ—детектор - 10—тонный экспериментальный прибор с жидким ксеноном сверхчистой очистки, расположенный в километре под землей в подземном исследовательском центре Сэнфорда в Южной Дакоте - собрал самый большой набор данных, когда-либо собранных в ходе эксперимента с темной материей: данные были собраны за 417 рабочих дней в период с марта 2023 по апрель 2025 года.
|
|
|
|
Анализ, опубликованный сегодня LZ Experiment в США, пока не выявил доказательств существования слабо взаимодействующих массивных частиц (WIMP) — одного из наиболее вероятных кандидатов на роль темной материи — с массами от 3 до 9 гигаэлектронвольт (ГэВ). Это первый поиск с помощью LZ с энергией ниже 9 ГэВ, и результаты устанавливают ведущие мировые ограничения выше 5 ГэВ, сужая возможности для того, какой может быть темная материя.
|
|
|
|
Доктор Джеймс сказал: "Эти результаты подтверждают выдающуюся производительность LZ и открывают путь для более глубоких исследований, поскольку детектор продолжает собирать данные вплоть до 2028 года".
|
|
|
|
Доктор Фрут сказал: "Может показаться странным, что ученые так радуются, не находя темной материи. Но, продолжая исследовать новые возможности, мы приближаемся к нашей цели".
|
|
Входим в нейтринный туман: достаточно чувствительны, чтобы видеть солнце
|
|
|
|
Чувствительность LZ теперь достигла такой степени, что она может обнаруживать нейтрино: призрачные, почти безмассовые частицы, которые проходят сквозь материю практически беспрепятственно. В частности, LZ наблюдала солнечные нейтрино на основе бора-8, образующиеся в результате термоядерных реакций в ядре Солнца.
|
|
|
|
Доктор Энн Ванг, научный сотрудник Национальной ускорительной лаборатории SLAC в США и один из руководителей анализа, сказала: "Чтобы максимально повысить чувствительность к темной материи, нам пришлось уменьшить и тщательно смоделировать наши инструментальные данные, а также усердно поработать над калибровкой нашего детектора, чтобы понять, какие типы сигналов могут генерировать солнечные нейтрино.
|
|
|
|
"С этим набором данных мы официально вошли в нейтринный туман, но только при поиске темной материи с такими меньшими массами. Если темная материя тяжелее — скажем, в 100 раз больше массы протона, — мы все еще далеки от того, чтобы нейтрино стали существенным фоном, и это никак не повлияет на наши открытия".
|
|
|
|
Солнечные нейтрино бора-8 взаимодействуют в детекторе посредством процесса, который был впервые обнаружен только в 2017 году: когерентное упругое рассеяние нейтрино на ядрах, или CEvNS. В этом процессе нейтрино взаимодействует с атомным ядром в целом, а не только с одной из частиц внутри него (протоном или нейтроном). Признаки взаимодействия солнечных нейтрино бора-8 с ксеноном появились в прошлом году в двух детекторах: PandaX-4T и XENONnT.
|
|
|
|
Такая чувствительность является одновременно триумфом и вызовом: солнечные нейтрино могут имитировать слабые сигналы, которые LZ предназначен для обнаружения темной материи. Этот так называемый "нейтринный туман" знаменует собой точку, где нейтрино становятся основой для поиска темной материи малой массы, а также открывают возможности для новой физики нейтрино и солнца.
|
|
|
|
Результаты были представлены в понедельник, 8 декабря, на научной конференции в подземном исследовательском центре Сэнфорда в Южной Дакоте и размещены на сервере препринтов arXiv. Статья также будет опубликована в журнале Physical Review Letters.
|
|
Следующее поколение: детектор XLZD.
|
|
|
|
Участники коллаборации LZ, включая доктора Фрута, уже работают над проектом следующего крупного эксперимента по изучению темной материи: XLZD, детектора жидкого ксенона нового поколения, сочетающего в себе лучшие технологии LZ, XENONnT и DARWIN.
|
|
|
|
Доктор Фрут был ведущим редактором книги о дизайне XLZD, недавно опубликованной в European Physical Journal C, в которой рассказывается о том, как XLZD станет настоящей обсерваторией редких событий, способной обнаруживать гораздо более широкий спектр нейтрино и кандидатов в темную материю.
|
|
Выдающиеся достижения Австралии на мировой арене
|
|
|
|
Центр передового опыта ARC в области физики элементарных частиц темной материи является одним из международных партнеров LZ, и австралийские исследователи продолжают вносить существенный вклад в глобальный поиск темной материи — одного из самых глубоких вопросов современной физики.
|
|
|
|
Доктор Фрут сказал, что открытия в этой области часто являются результатом "многих целенаправленных шагов" в течение длительного периода времени.
|
|
|
|
"Мы знаем, что темная материя существует — мы видим ее гравитационные отпечатки повсюду", - сказала она. "Этот результат показывает, что наш эксперимент работает с невероятной чувствительностью. Если темная материя взаимодействует с обычной материей в том диапазоне, который мы тестируем, LZ или его последователи найдут ее".
|
|
|
|
Источник
|
