Незалежні експерименти з пошуку темної матерії виявили щільну хмару елементарних частинок нейтрино, яка може впливати на чутливість детекторів у процесі пошуку темної матерії. Ці частинки можуть взаємодіяти з детекторами темної матерії, розташованими глибоко під поверхнею Землі, і викликати хибнопозитивні сигнали. Це дослідження підкреслює важливість розробки нових підходів для підвищення точності виявлення темної матерії в майбутніх експериментах. Дослідження опублікували у двох статтях журналу Physical Review Letters (1,2).
Резервуари з ксеноном, за допомогою яких виявляють темну матерію. XENON Collaboration
Як і для чого проводять виявлення темної матерії?
Темна матерія, яка, за оцінками, становить 27 відсотків всієї маси-енергії Всесвіту, пояснює аномалії в кривих обертання галактик та інші астрофізичні спостереження, проте її частинки досі не вдалося безпосередньо зафіксувати. Темна матерія складається з холодних частинок, які слабко взаємодіють зі звичайною матерією, або WIMP.
Для виявлення цих частинок проводять два незалежні експерименти PandaX у Китаї та XENON в Італії, де науковці використовують інертний газ ксенон, взаємодія WIMP з ядром якого створює сигнал про виявлення темної матерії. Щоб виключити вплив космічних променів, ці експерименти проводять в надглибоких підземних лабораторіях. Проблема полягає у тому, що нейтрино теж є WIMP, які здатні проникати глибоко в товщу Землі. Дослідники з обох лабораторій оцінили частоту впливу нейтрино на детектори темної матерії та силу такого впливу.
Наскільки туман нейтрино впливав на виявлення темної матерії?
Команда PandaX-4T встановила свій детектор на глибині 2400 метрів, а XENONnT — на глибині 1400 метрів, використовуючи при цьому 1–2 кубометри рідкого ксенону при температурі -110 °C. Обидва експерименти зібрали дані протягом двох років і виявили від 11 до 75 подій, які вказують на існування ще однієї важкої перешкоди виявлення темної матерії — туману нейтрино, фонового шуму від сонячних нейтрино.
Сонячні нейтрино, утворені внаслідок ядерних реакцій на Сонці, проникають через земну кору та можуть досягати навіть глибоких підземних детекторів. Рівень значущості, з яким ці події фіксуються, сягає близько 2,7 сигми — показник, який свідчить про ймовірність фонової події, тоді як для доказу знахідки самої темної матерії потрібен рівень щонайменше 5 сигма. Звичайно, поки науковці можуть розрізнити сигнали нейтрино та темної матерії, але зі збільшенням чутливості детекторів або посиленням сонячної активності імовірність фіксування хибнопозитивного результату зростає.
Чим корисне це відкриття?
Перш за все, це відкриття підкреслює необхідність подальших удосконалень детекторів, що дозволить зменшити вплив сонячних нейтрино та підвищить точність фіксації темної матерії. Вивчення темної матерії є одним із провідних напрямків в астрофізиці, які розкажуть нам більше про еволюцію Всесвіту та фундаментальні закони, що в ньому діють.
До того ж фіксація лабораторіями PandaX-4T та XENONnT нейтрино свідчить про те, що їхні детектори можна застосовувати для вивчення цих елементарних частинок, а не будувати окремі лабораторії, які, до речі, теж занурюють під землю для захисту від космічного випромінювання.
- Детальніше про нейтрино, а також інші елементарні частинки та те, як їх вивчення змінює наше уявлення про класичну фізику, — читайте у нашому матеріалі «Суперфізика та надмеханізми».