Физики, работающие с детектором темной материи XENON1T, получили первые намеки на существование "новой физики" и так называемых аксионов, сверхлегких частиц темной материи. Об этом сообщил Эван Шокли, член коллаборации XENON1T, выступая на онлайн-брифинге в Институте Энрико Ферми в Чикаго.

"Открытый нами избыток событий, которые были зафиксированы фотодатчиками XENON1T на низких энергиях, лучше всего объясняет теория, предполагающая существование "солнечных" аксионов. Другое объяснение этому - ненулевой магнитный момент нейтрино или присутствие необъяснимо большого числа атомов трития внутри чана с ксеноном", - заявил Шокли.

Установка XENON1T была построена в итальянской лаборатории Гран-Сассо в 2014 году для поисков следов существования "тяжелой" темной материи, так называемых частиц-"вимпов". Она представляет собой огромный чан, заполненный тремя тоннами сверхчистого ксенона, что примерно в 10 раз больше массы всех его конкурентов.

Ядра атомов благородного газа, как предполагали раньше ученые, должны были взаимодействовать с "вимпами" особым образом, что можно было обнаружить, наблюдая за вспышками света внутри сжиженного ксенона, используя фотоумножители и специализированные датчики света. За последние два десятилетия ученые создали около дюжины подобных детекторов со все большим объемом и массой.

Ни один из них так и не смог зафиксировать следы взаимодействий ксенона с "вимпами". Это заставляет сегодня многих физиков сомневаться в том, что подобная форма темной материи существует в природе. Столкнувшись с подобными проблемами, Шокли и его коллеги задумались о том, можно ли перепрофилировать XENON1T для поисков других форм темной материи.

В частности, теории, допускающие существование аксионов, сверхлегкой формы темной материи, похожей по свойствам на нейтрино, указывают на то, что Солнце и другие звезды должны выступать очень мощным источником этих частиц. Поток аксионов, пролетающий через чан детектора, будет взаимодействовать с электронами в атомах ксенона, что будет порождать вспышки света на определенных энергиях и длинах волн.

Незримые следы новой физики

Соответственно, если аксионы существуют, то эти взаимодействия будут порождать избыток электромагнитных волн, которые непрерывно фиксируются фотодатчиками внутри чана детектора. Шесть лет назад участники предыдущей коллаборации, XENON100, уже пытались "поймать" сверхлегкую темную материю таким образом, однако им не удалось увидеть их следы в ходе этого эксперимента.

Возможные намеки на их существование были открыты Шокли и его коллегами после десятикратного увеличения объема чана с жидким благородным газом. Как показали их замеры, фотодатчики XENON1T зафиксировали неожиданно много частиц света, которые порождались столкновениями электронов и неких частиц, чья энергия находилась в промежутке от 3 до 7 килоэлектронвольт (кэВ).

В частности, их оказалось на 22% больше, чем предсказывает Стандартная модель физики, что, как показывает статистический анализ, вряд ли могло произойти случайным образом. Схожий сигнал, как отметил Шокли, могут порождать распады атомов трития, нестабильного изотопа водорода, однако расчеты физиков показывают, что их количество внутри чана XENON1T будет слишком маленьким, чтобы внести столь серьезные расхождения между теорией и экспериментом.

С другой стороны, эти расхождения могут объясняться еще и тем, что нейтрино могут обладать крайне малым, но при этом не нулевым магнитным моментом, как это предсказывает Стандартная модель физики. Данные, собранные XENON1T, как отметил Шокли, не противоречат этому, однако статистическая достоверность этой гипотезы несколько ниже, чем для "солнечных" аксионов.

При этом и аксионная, и нейтринная теории противоречат наблюдениям о том, как быстро охлаждаются недра звезд. Это, как считает известный физик Адам Фальковский, работающий в университете Париж-Саклэ (Франция), значительно повышает шансы на то, что последующие наблюдения могут "обнулить" их. При этом он и надеется на то, что на этот раз намеки на открытие "новой физики" подтвердятся, в отличие от похожих историй последних лет, связанных с открытиями на БАК и детекторе темной материи DAMA/LIBRA.

Проверка всех этих трех теорий, по словам Шокли, станет возможной уже в следующем году, когда начнет свою работу обновленная версия их детектора, XENONnT. Его объем будет увеличен фактически в четыре раза, что резко снизит уровень помех и поможет ученым понять по особенностям в структуре спектра вспышек света, какие из трех "подозреваемых", аксионы, нейтрино или тритий, порождают эту аномалию.