Детектор XENON1T, возможно, засёк частицы тёмного вещества аксионы
Около четырёх лет назад я написал небольшой пост о профессоре Колумбийского университета Елене Априле и о возглавляемом ею проекте по поиску частиц тёмного вещества XENON. Она тогда считала, что «в течение ближайших пары лет, может, пяти-шести в общей сложности, мы или скажем наверняка, что вимпов не существует, или что-то откроем». И вот, возможно, они, действительно что-то открыли!
XENON — самый чувствительный на данный момент детектор, нацеленный на поиск частиц тёмного вещества. Его текущая модификация XENON1T представляет собой 3,2 тонны жидкого сверхчистого ксенона (просто чтобы понять техническую сложность эксперимента: ксенон может находиться в жидкой форме только в очень узком диапазоне температур от −108 до −111 °C). Бак с ксеноном помещён глубоко под землю в горах Италии и обнесён чувствительными датчиками.
Изначально в проекте вообще-то искали вимпы — это такие популярные гипотетические кандидаты в частицы тёмного вещества с большой массой, которые, предполагается, могут слабо взаимодействовать с ядрами ксенона. Но за более чем 10 лет (прежде, чем загрузить несколько тонн ксенона, они начинали с маленьких детекторов) ничего похожего не нашли.
И тут поняли, что на той же установке можно искать и немного другой тип гипотетических частиц, называемых аксионами. Эти частицы значительно легче, и их ищут по их воздействию на электроны. Проблема тут в том, что с электронами взаимодействует много чего вполне обычного: например, электроны от бета-распада радиоактивных атомов в горной породе. Но эти обычные события можно более-менее точно оценить, и посмотреть, нет ли в сигнале чего-нибудь ещё.
Оказалось, что вроде как есть: вместо ожидаемых 232±15 событий увидели 285 — это превышение в 3.5σ (это грубо означает, что шанс того, что превышение является случайным стечением обстоятельств, составляет что-то около 0,02%). В физике элементарных частиц это ещё не открытие, но очень близко к нему (для открытия требуется 5σ, что соответствует вероятности ошибки ~10⁻⁵ %).
Возможны, конечно, и другие объяснения. Например, такой же сигнал могут дать обычные нейтрино, если вдруг обладают большим магнитным моментом — его величину у них никто не знает, и если она, действительно, окажется настолько большой, то это само по себе будет чрезвычайно интересно и неожиданно.
Есть, правда, и тривиальное объяснение — сигнал вызван загрязнением тритием. Это единственная банальная причина, которую учёные не смогли исключить полностью в связи со сложностью обнаружения трития. Вообще-то, этот изотоп водорода в силу высокой радиоактивности встречается чрезвычайно редко: в ксеноне по оценкам его не должно остаться больше, чем 1 атом на 10²⁵ атомов ксенона, но и этого может быть достаточно для того, чтобы объяснить добрую половину наблюдаемого сигнала. По всей видимости, единственная возможность исключить это объяснение: найти аналогичный сигнал другими методами.
Препринт статьи: E. Aprile et al. (XENON Collaboration) Observation of Excess Electronic Recoil Events in XENON1T
