Введение: Поиск невидимого 85% Вселенной
Фото: XENON Collaboration.
Темная материя составляет около 85% вещества во Вселенной, но её природа остаётся загадкой. Одна из гипотез — она состоит из лёгких частиц , таких как аксионы или темные фотоны. Однако новый эксперимент с жидким ксеноном не подтвердил их существование , но установил рекордные ограничения на их параметры.
1. Что делал XENONnT?
Детектор XENONnT расположен под горой Гран Сассо в Италии, защищённый от космических лучей. Он содержит 2 тонны жидкого ксенона , который светится, когда частицы взаимодействуют с его атомами.
Как работал эксперимент:
- Учёные анализировали слабые сигналы , вызванные вырыванием электронов из атомов ксенона.
- Обычно регистрируют пару вспышек: первичную (сцинтилляцию) и вторичную (ионизацию). Но для лёгких частиц часто нет первичного сигнала.
Что нового сделали учёные:
- Изучили только вторичные сигналы (ионизацию), даже если было всего 1–2 электрона .
- Это позволило снизить порог чувствительности до 13,7 электронвольт — в 70 раз ниже, чем у других детекторов.
2. Результат: Темная материя не показалась
Источник: Physical Review Letters.
- 800 событий с одиночными электронами проанализированы.
- Никакого статистически значимого избытка не обнаружено.
- Это значит, что лёгкие частицы темной материи либо не существуют , либо их взаимодействие с обычным веществом слишком слабое.
3. Почему это важно?
Легкая темная материя (менее 0,03 килоэлектронвольта ) могла бы объяснить:
- Аномалии в движении галактик .
- Нехватку темной материи в малых галактиках .
Новые ограничения:
- Для темных фотонов : вероятность взаимодействия с электронами < 10⁻¹⁶.
- Для аксионоподобных частиц : эффективная связь с электромагнитным полем < 10⁻¹³.
4. Как это связано с другими экспериментами?
Что это значит?
- Легкие частицы всё ещё могут существовать, но их параметры должны быть ещё более экзотичными .
- Возможно, они взаимодействуют не через электроны, а через другие каналы (например, ядра атомов).
5. Будущее поисков
- Улучшение детекторов : XENONnT планирует увеличить объём ксенона до 5 тонн.
- Новые подходы : Исследование нейтринов или гравитационных волн.
- Квантовые компьютеры : Анализ данных с помощью алгоритмов машинного обучения.
Цитата доктора Джона Коннора (XENON Collaboration):
«Это не провал. Это шаг к пониманию того, где искать дальше».
6. Заключение: Наука продолжает искать ответы
Отсутствие обнаружения — это тоже результат. Он помогает:
- Сократить область поиска для будущих экспериментов.
- Подтвердить, что темная материя не так проста , как мы думали.
Факт:
Если темная материя действительно состоит из лёгких частиц, нам потребуется новый тип детекторов , чувствительных к другим видам взаимодействий.
Примечание:
Статья основана на публикации в Physical Review Letters и интервью с участниками коллаборации XENON.