Физики обнаруживают необъяснимые взаимодействия частиц при поиске темной материи

Глубоко под горами Гран-Сассо в Италии, проводится «самый чувствительный» в мире эксперимент по поиску темной материи. Но вместо темной материи экспериментаторы обнаружили значительно больше событий взаимодействия частиц, чем предсказывалось стандартной моделью физики.

Вместо 232 ± 15 низкоэнергетических событий, ожидаемых в данных за год, с февраля 2017 года по февраль 2018 года в ходе эксперимента XENON1T обнаружено 285 — на 53 больше, чем прогнозировалось, что значительно выходит за пределы погрешности.

Большая международная команда физиков, вовлеченных в сотрудничество, не знает, что вызывает избыток, несмотря на то, что они работают над результатами с 2018 года.

После тщательного рассмотрения они свели свои варианты к трем возможностям: одна довольно обыденная … и две другие, которые оказали бы огромное влияние на наше понимание фундаментальной физики.

Исследователи представили свои выводы на онлайн-семинаре 17 июня и подготовили документ, который в настоящее время готовится к экспертной проверке.

«Мы наблюдаем превышение, на три сигмы, и мы не знаем, что это такое, — сказал физик Эван Шокли из Чикагского университета.

XENON1T представляет собой резервуар, заполненный 3,2 метрической тонны сверхчистого жидкого ксенона и оснащенный массивами фотоумножителей. Он полностью герметичен и полностью темный, чтобы обнаружить сцинтилляцию и электролюминесценцию, возникающую, когда две частицы взаимодействуют друг с другом, создавая крошечные вспышки света и крошечный поток электронов, выбрасываемых из атома ксенона — то, что известно как отдача электронов.

Поскольку большинство этих взаимодействий происходят из известных частиц, оценить количество фоновых событий, которые должны произойти, относительно просто. Так было получено число 232 для событий отдачи электронов при низких энергиях.

Итак, «откуда дополнительные 53 события» — это большой вопрос.

Первым и наиболее обыденным из трех сценариев, которые могли бы вызвать дополнительные взаимодействия частиц, является ранее неучтенный источник фоновых событий, вызванных очень небольшими количествами редкого радиоактивного изотопа водорода, называемого тритием.

Исследователи отметили, что тритий мог попасть в детектор в результате космогенной активации ксенона и водорода в самих материалах детектора. Это даст всего лишь небольшое количество трития — всего несколько атомов на каждые 1025 атомов ксенона, слишком мало, чтобы его можно было обнаружить. Попытки обнаружить тритий другими способами были бесплодными, поэтому гипотезу о тритии нельзя ни подтвердить, ни исключить.

Вторая, более интригующая возможность состоит в том, что сигнал может быть вызван нейтрино. Эти частицы похожи на электроны, но почти не имеют массы и заряда, и они очень редко взаимодействуют с другими частицами. Это также хорошо, поскольку нейтрино — самая распространенная частица во Вселенной.

Согласно расчетам команды, нейтрино могли быть ответственны за избыточный сигнал, если бы они имели более сильный магнитный момент — то есть магнитную силу и ориентацию — чем мы думали. Если эти более сильные нейтрино ответственны за сигнал, нам, вероятно, понадобится новая физика, чтобы объяснить, как они могут существовать.

Третий сценарий — это тип гипотетической частицы, называемой солнечным аксионом. Это наилучшее соответствие данным с уровнем достоверности 3,5 сигма, то есть 2 к 10000 вероятности того, что сигнал является случайной флуктуацией. (Два других сценария имеют уровень достоверности 3,2 сигма.)

Аксионы – это гипотетический тип частиц, выдвинутый в 1970-х годах для решения вопроса о том, почему сильные атомные силы следуют так называемой симметрии четности заряда, когда большинство моделей говорят, что им это не нужно.

Аксионы определенной массы — сильный кандидат в темную материю. Солнечные аксионы, гипотетически вытекающие из Солнца, не совпадают с аксионами-кандидатами в темную материю, но были бы сильным намеком на их существование — если бы существовали солнечные аксионы, должны существовать и другие аксионы.

Если Солнце может производить аксионы, то должны и все звезды; и, опять же, наблюдаемая потеря тепла в очень горячих звездах накладывает жесткие ограничения на аксионное взаимодействие с субатомными частицами.

Итак, у нас остались вопросы, которые можно решить только, как вы уже догадались — дополнительными экспериментами. Поскольку XENON1T переходит на следующую фазу, нам просто нужно ждать.

«Обсуждаемые здесь сигналы могут быть дополнительно изучены в детекторах следующего поколения», — пишут исследователи в своей статье.

Источники: Фото: Фотоприемники XENON1T. (Xenon Collaboration)