Детекторът XENONT1 е открил първите намеци за съществуването на лека тъмна материя

Физиците, работещи с детектора на тъмна материя XENONT1, са получили първите намеци за съществуването на така наречените аксиони – свръхлеки частици на тъмната материя. Аномалиите в получените резултати на детектора е можело да бъдат предизвикани от различни причини – от магнитния момент на неутрино, от разпада на неустойчивия изотоп на водорода тритий или от дългоочакваните аксиони, тоест хипотетичните свръхлеки частици на тъмната материя. Учените се надяват, че последната хипотеза е най-вероятна, но потвърждение се очаква през следващата година след реконструкцията на детектора. За това е разказал , членът на научната калоборация XENONT1 на он-лайн брифинг в Института Енрико Ферми в Чикаго. Предварителните резултати от изследването са публикувани в Университета Пардю.

„Множеството от събития, които фиксираха фотодатчиците на XENONT1 на ниски енергийни нива, най добре се обясняват от теорията, предполагаща съществуването на „слънчеви” аксиони. Другите обяснения за тези явления са ненулевия магнитен момент на неутрино или присъствието на необяснимо голямо количество атоми на тритий вътре в съда с ксенон” – коментира Шокли.

Инсталацията XENONT1 е проектирана и изработена в италианската лаборатория Гран Сасо през 2014 година за да търсене следи за съществуването на „тежка” тъмна материя, в частност за хипотетичното съществуването на частици, които учените нарекоха “вимпове” (WIMP –слабо взаимодействаща тежка частица). Инсталацията представлява голям цилиндричен съд запълнен с три тона свръхчист ксенон -124. Детекторът е разположен дълбоко под земната повърхност за да може да бъде максимално добре защитен от космическите лъчи и други източници на частици.

Ядрата на атомите на този газ по предположенията на учените е трябвало да взаимодействат с „вимповете”. Това би могло да се открие, наблюдавайки за проблясъците на светлина вътре в втечнения ксенон с помощта на фотоумножители и специализирани датчици за светлина. За последните две десетилетия учените създадоха около дузина такива инсталации с такива големи размери и маси.

Но нито един от тези детектори така и не е успял да засече взаимодействие на ксенона с вимповете. Сблъсквайки се с този проблем, Шокли и неговите колеги се замислили дали да не препрофилират XENONT1 за търсенето на други форми на тъмната материя, например на свръхлеките частици, аксиони, които по своите свойства приличат на неутрино.

Теориите, които допускат съществуването на аксионите, предполагат, че техен много голям източник би трябвало да бъдат Слънцето и другите звезди. В такъв случай потокът от аксиони , който прелита през огромния цилиндричен съд на детектора, би трябвало да взаимодейства с електроните в атомите на ксенона. По тази причина трябва да възникват проблясъци от светлина при определени енергии и дължина на вълните.

Невидимите следи на “новата” физика

Ако асионите съществуват, то заради описаните взаимодействия ще възниква излишък от електромагнитни вълни, които ще се фиксират от фотодатчиците вътре в детектора. Преди шест години участниците в научната калаборация XENONT1 са се опитали да „хванат” по този начин свръхлеката тъмна материя, но така и не успели.

Сега, увеличавайки обема на съда с течен ксенон, Шокли и колегите му са успели да фиксират възможни намеци за съществуването на аксионите. Фотодатчиците на XENONT1 са регистрирали необикновено много светлинни частици, които са се появили в резултат на сблъсъците на електроните с някакви частици, притежаващи енергия между 3 и 7 килоелектрон волта.

Оказало се, че те са с 22% повече, отколкото предсказва Стандартния модел ( теорията, която на дадения момент описва по-голямата част от взаимодействията на всички известни в момента елементарни частици). Както е показал статистическият анализ , това едва ли е можело да е резултат на случаен процесс. Подобен сигнал, отбелязва Шокли, може да бъде породен от разпадането на атоми на тритий, който се явява нестабилен изотоп на водорода. Но пресмятанията показват, че вътре в съда на XENONT1 съдържанието на тритий е достатъчно малко, за да предизвика такива сериозни разлики между теорията и експеримента.

От друга страна, тези разминавания могат да се обяснят още и с това, че при неутриното, както това предсказва Стандартния модел, може да има магнитен момент, който е много малък, но не е нулев. Данните събрани от XENONT1 не противоречат на това, но статистическата достоверност на тази хипотеза е сравнително по-ниска, отколкото тази за „слънчевите” аксиони.

При това аксионната и неутриновата теории противоречат на наблюденията за това колко бързо се охлаждат недрата на звездите. По думите на Адам Фалковски от Университета Париж-Съклей (Франция) това може да сложи кръст и на двете теории. Но въпреки всичко Фалковски се надява, че този път намеците , които водят към „новата” физика, ще се потвърдят за разлика на подобните напразни надежди през последните години, които бяха свързани с работата на Големия адронен колайдер и детектора за тъмна материя DAMA/LIBRA.

По думите на Шoкли , проверката на всички тези теории ще е възможно през следващата година, когато ще започне работа новата версия на детектора XENONT1. Неговият обем ще е почти четири пъти по-голям , което рязко ще намали нивото на грешки и ще помогне на учените да разберат по особеностите в структурата на спектъра на проблясъците, коя от трите „заподозрени” частици, аксион, неутрино или тритий, пораждат тези аномалии.