Ученые, задействованные в реализации международного проекта XENON, самого высокочувствительного датчика в мире на сегодняшний день, ориентированного на поиски темной материи, объявили о факте регистрации этим датчиком избыточного количества событий определенного рода. Пока еще эти ученые не могут утверждать, что им, наконец, удалось обнаружить таинственную темную материю, они лишь обнаружили увеличение количества определенных событий, источник которых остается величиной неизвестной. Некоторые параметры этих событий содержат подпись, которая может являться следствием присутствия остаточных следовых концентраций трития (атомов водорода с одним протоном и двумя нейтронами), но все это может также являться и признаками чего-то более экзотического - существования частицы, называемой солнечным аксионом, или проявления ранее неизвестных свойств частиц нейтрино.
Напомним нашим читателям, что датчик эксперимента XENON1T располагается глубоко под горой Gran Sasso в Италии и он работал в промежутке с 2016 по 2018 год. Как уже упоминалось выше, главной задачей этого датчика было обнаружение темной материи, на долю которой, как предполагают ученые, приходится 85 процентов от общего количества материи во Вселенной. Детекторы датчика XENON1T, имеющего определенный диапазон чувствительности, ориентированы на поиски так называемых WIMP-частиц (Weakly Interacting Massive Particle), которые считаются одним из основных кандидатов на должность частиц темной материи. И, как следствие высокой чувствительности датчика, эксперимент XENON1T оказался способен собирать данные о различных других частицах и экзотических взаимодействиях между ними, которые могут объяснить неразрешенные пока вопросы в области фундаментальной физики. Отметим, что именно при помощи этого датчика в прошлом году ученым удалось зарегистрировать самый редкий из всех известных видов ядерного распада.
Датчик XENON1T заполнен 3.2 тоннами сверхчистого охлажденного ксенона, находящегося в жидком состоянии. В активной области датчика, за которой наблюдают "глаза" высокочувствительных оптических детекторов, находится непосредственно 2 тонны ксенона. Эти оптические детекторы улавливают даже самые слабые световые сигналы, порождаемые свободными электронами, выбитыми из атомов ксенона другими частицами. Большинство регистрируемых световых сигналов имеет отношение к взаимодействиям атомов ксенона с известными частицами, и эти сигналы создают своего рода постоянный фон. Именно в этом фоне, сравнивая его с теоретическими и практическими значениями, полученными в ходе других экспериментов, ученые нашли избыток сигналов определенного рода, 53 лишних события на фоне ожидаемых 232 событий.
Как уже упоминалось выше, некоторые параметры событий указывают на то, что их источником могут быть атомы трития, крошечное количество которых так или иначе сумело пройти сквозь процедуру очистки ксенона для датчика. Радиоактивный тритий спонтанно распадается, выпуская электрон, энергия которого приблизительно соответствует параметрам регистрируемых сигналов. И для того, чтобы объяснить переизбыток таких событий потребуется всего несколько атомов трития на каждые 10^25 (10,000,000,000,000,000,000,000,000) атомов ксенона. К сожалению, в настоящее время не существует методик измерений, при помощи которых можно или подтвердить или опровергнуть наличие такого крайне малого количества трития в ксеноне и, поэтому, такое объяснение наблюдаемого феномена находится под знаком вопроса.
Все вышесказанное открывает простор для полета фантазии и возможностей существования других вариантов объяснений. Более того, избыточные сигналы имеют энергетический спектр, подобно спектру, ожидаемому от присутствия солнечных аксионов, гипотетических частиц, рожденных в недрах Солнца. Солнечные аксионы не входят в ряд кандидатов частиц темной материи, но их обнаружение и изучение может оказать очень большое воздействие на наше понимание фундаментальной физики, процессов, задействованных в астрофизических явлениях различных масштабов. При этом считается, что аксионы, возникшие в самые первые периоды существования Вселенной, впоследствии стали источником темной материи.
Также источником избыточных сигналов могут являться частицы нейтрино, триллионы которых проходят каждую секунду через кубический сантиметр объема пространства. Если магнитный момент частиц нейтрино немного выше значения, определяемого Стандартной моделью физики элементарных частиц, то такие частицы могли вызвать характерные сигналы в датчике XENON1T и они, параллельно с этим, являются указанием на существование совершенно новых областей физики, не вписывающихся ни в рамки Стандартной модели, ни в рамки фундаментальной физики.
Параметры избыточных сигналов имеют наибольший уровень совпадения с теоретическими сигналами от солнечных аксионов. Имеющееся количество данных об этих событиях обеспечивают статистическую достоверность в 3.5 сигма, означающую, что существует вероятность в 2/10000 того, что наблюдаемые отклонения (избыток) сигналов носит случайный характер или является результатом погрешности измерений. 3.5 сигма - это уже достаточно высокое значение, для того, чтобы принимать его всерьез, а гипотезы относительно трития и магнитного момента нейтрино имеют более низкую достоверность, равную 3.2 сигма.
В настоящее время оборудование эксперимента XENON1T проходит стадию очередной модернизации, после чего эксперимент получит следующее название из серии XENONnT. Количество массы ксенона в активной области датчика будет увеличено в три раза и во столько же раз будет снижен уровень шумов, производимый собственно датчиком. Все это позволит ученым получить более точные данные по поводу отклонений в фоновом сигнале и поднять уровень достоверности данных до требующихся 5 сигма, с уверенностью ответив на вопрос, кто же действительно является виновником - простое загрязнение ксенона тритием, новая частица или вид взаимодействий, выходящий за пределы известной нам физики?
