Ученые Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли и других научных учреждений США, Великобритании, Португалии, Швейцарии, Южной Кореи и Австралии установили новый рекорд в поисках темной материи, используя самый чувствительный в мире детектор LUX-ZEPLIN (LZ). Результаты эксперимента, представленные на двух конференциях 26 августа 2024 года, позволяют значительно сузить круг возможных кандидатов на роль темной материи, особенно среди слабо взаимодействующих массивных частиц (WIMP).
Новые данные демонстрируют, что детектор LZ обладает высокой чувствительностью к слабым взаимодействиям WIMP, что позволяет исключить многие теоретические модели, не подтверждающиеся полученными результатами. Например, исследование не обнаружило следов частиц WIMP с массой свыше 9 гигаэлектронвольт/c² (ГэВ/c²), что значительно сужает диапазон возможных масс и взаимодействий для этих частиц. Для сравнения: масса протона немного меньше 1 ГэВ/c².
Эксперимент проводился в подземном исследовательском центре Сэнфорда в Южной Дакоте, где детектор LZ установлен на глубине около полутора километров под землей. Такая глубина позволяет защитить детектор от космических лучей, которые могут мешать точности эксперимента. Детектор использует 10 тонн жидкого ксенона, что позволяет отслеживать даже самые слабые взаимодействия частиц с ядрами атомов. Кроме того, детектор был создан с использованием сверхчистых материалов с низким уровнем излучения, что минимизирует фоновое излучение и ложные сигналы.
Исследователи использовали данные за 280 дней, включая 220 дней новых измерений и 60 дней данных первого запуска LZ. Этот длительный период наблюдений позволил получить точные данные, которые исключают возможность существования WIMP в исследованном диапазоне масс. Важным этапом эксперимента стало применение техники «соления» (англ. salting), добавляя поддельные сигналы для исключения предвзятости в анализе данных.
По словам ученых, результаты эксперимента открывают новые возможности для поиска темной материи. Существует много других редких физических процессов, которые можно исследовать с помощью этого детектора, таких как редкие распады атомов ксенона и безнейтринный двойной бета-распад. Эти исследования могут предоставить ценные данные, выходящие за рамки Стандартной модели физики, и помочь в понимании природы темной материи.
В будущем команда планирует использовать новые методы анализа и улучшения для дальнейшего повышения чувствительности детектора LZ. Кроме того, уже ведутся разработки следующего поколения детекторов темной материи.