Новое исследование XENONnT не нашло темную материю, но сузило круг поиска

Международная коллаборация XENON, работающая в Национальной лаборатории Гран-Сассо в Италии, провела новый анализ данных с детектора XENONnT, который содержит почти 6 тонн жидкого ксенона. Ученые не обнаружили новых сигналов темной материи, но установили самые строгие на сегодняшний день ограничения на свойства легких кандидатов в частицы темной материи, таких как аксионоподобные частицы и темные фотоны. Результаты этого исследования были опубликованы в научном журнале Physical Review Letters.

Физики, работающие над проблемой темной материи, все дальше отодвигают границы неизведанного, и новое исследование коллаборации XENON яркий тому пример. На протяжении многих лет ученые в основном искали тяжелые частицы, получившие название WIMP. Однако, несмотря на все усилия, эти поиски не увенчались успехом.

Поэтому внимание исследователей переключилось на более легких и трудных для обнаружения кандидатов, например, на аксионоподобные частицы и темные фотоны. Именно на их поиск и был нацелен новый, чрезвычайно чувствительный анализ данных, собранных детектором XENONnT.

Этот детектор расположен глубоко под Доломитовыми горами в Италии. Он представляет собой огромный резервуар, содержащий 5,9 метрических тонн сверхчистого жидкого ксенона, и создан для регистрации редких столкновений частиц темной материи с обычным веществом.

В отличие от предыдущих поисков, в этот раз ученые сфокусировались на так называемых «ионизационных» сигналах. Обычно детектор регистрирует два типа сигналов от взаимодействия частиц: вспышку света и высвобождение электронов. Но легкие частицы, такие как аксионы, оставляют слишком мало энергии, чтобы вызвать заметную световую вспышку. Поэтому исследователям пришлось искать только электронный сигнал, что потребовало беспрецедентной точности в отсеивании фонового шума.

Чтобы добиться такой точности, коллаборация XENON провела сложную работу по созданию детальной модели фоновых сигналов. Ключевым моментом стал «слепой» анализ: пока разрабатывалась модель шума, ученые не имели доступа к реальным данным в области поиска, чтобы их модель не могла неосознанно подстроиться под ожидаемый результат.

Для характеристики фона были использованы передовые методы машинного обучения и разработаны специальные методики подавления мешающих сигналов, например, от радиоактивного распада радона. После того как модель была полностью готова, ее сравнили с реальными данными XENONnT, полученными за почти 580 дней наблюдений.

Результат оказался нулевым: никакого необъяснимого превышения над ожидаемым фоном обнаружено не было. Однако это вовсе не означает неудачу. Напротив, полученные данные позволили установить новые, более строгие ограничения на возможные свойства гипотетических частиц.

Например, для модели взаимодействия темной материи с ядрами атомов (спин-независимое рассеяние) при массе частицы в 5 ГэВ/с² ученые исключили возможность существования темной материи с поперечным сечением взаимодействия выше 6,0 × 10⁻⁴⁵ см² . Это делает эксперимент XENONnT самым чувствительным в мире для поиска подобных частиц в определенном диапазоне масс.

Важнейший итог работы заключается в том, что новые ограничения приблизили XENONnT к границе, известной как «нейтринный туман». Это фундаментальный предел, за которым обычные нейтрино от Солнца производят сигналы, практически неотличимые от сигналов темной материи. Этот фон нельзя экранировать, и он становится непреодолимым препятствием для большинства современных детекторов. Тот факт, что XENONnT вплотную приблизился к этому пределу в поисках легкой темной материи, говорит о выдающейся чистоте и чувствительности эксперимента.

В конечном счете, это исследование не принесло открытия, но стало важным шагом вперед в понимании того, где темная материя точно не скрывается. Ученые коллаборации XENON не просто подтвердили отсутствие искомых сигналов, а фактически начертили самую точную и детальную карту запретных зон для легких кандидатов в частицы темной материи, которая существует на сегодняшний день.

Более того, их работа продемонстрировала, что детектор XENONnT вышел на такой уровень чувствительности, что его показания почти достигли естественного предела, за которым сигналы от обычных солнечных нейтрино становятся неотличимы от искомого сигнала. Этот результат не только задает высокую планку для будущих, еще более крупных экспериментов, но и наглядно показывает, что физики вплотную приблизились к фундаментальному барьеру, за которым для продолжения поисков потребуются не просто более чувствительные приборы, а совершенно новые подходы к обнаружению темной материи.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях