Учёные впервые нашли тёмную материю? Что известно о загадочном сигнале LUX-ZEPLIN

Физики получили самый убедительный намёк на тёмную материю за всё время работы детектора LUX-ZEPLIN. Рассказываем, что именно произошло под землёй в США, действительно ли человечество наконец обнаружило тёмную материю и почему одна частица может изменить наши представления о Вселенной.

Тёмная материя невидима, не светится и почти не взаимодействует с привычным нам веществом. При этом, по современным оценкам, на неё приходится около 85% всей материи во Вселенной. Физики десятилетиями пытаются непосредственно обнаружить её частицы — и, возможно, впервые получили действительно интересный сигнал.

1 сентября 2026 года участники международного эксперимента LUX-ZEPLIN (LZ) сообщили о необычном событии внутри крупнейшего в мире детектора тёмной материи. Исследователи пока не смогли объяснить его известными источниками фона. Одно из возможных объяснений — столкновение атома ксенона с частицей тёмной материи.

Но сенсация требует важной оговорки.

Короткий ответ: пока нет.

Учёные обнаружили одно необычное взаимодействие частицы, которое ведёт себя так, как в некоторых моделях могла бы вести себя частица тёмной материи. Однако одного события недостаточно, чтобы заявить об открытии.

Статистическая значимость результата составляет 2,6 сигмы. По оценке LUX-ZEPLIN, вероятность объяснить подобное событие известными фоновыми процессами составляет примерно 0,5%. Для признанного открытия в физике обычно требуется показатель 5 сигм.

Именно поэтому корректная формулировка сейчас — «возможный сигнал тёмной материи», а не «тёмная материя обнаружена».

При этом сами исследователи называют результат самым убедительным намёком на тёмную материю, который LUX-ZEPLIN получил до сих пор.

Само загадочное событие произошло не в 2026 году, а 16 июня 2023 года.

Оно было записано детектором LUX-ZEPLIN, расположенным почти в полутора километрах под землёй в исследовательском центре Sanford Underground Research Facility в американском штате Южная Дакота.

Затем физики несколько лет анализировали собранные данные.

В новом исследовании команда изучила 220 суток наблюдений, полученных с марта 2023-го по апрель 2024 года. Учёные расширили область поиска и начали искать более энергетические варианты взаимодействия частиц, которые раньше не попадали в основной анализ.

И тогда одно событие резко выделилось среди остальных.

Частица столкнулась с ядром атома ксенона и заставила его отскочить. Энергия такой ядерной отдачи составила около 248 килоэлектронвольт. Именно этот сигнал получил обозначение LZ230616.

Всего в анализ вошло 1710 событий — практически столько же, сколько и ожидали учёные от обычных фоновых процессов. Но LZ230616 оказался необычным: он возник в той части детектора и обладал такими характеристиками, где известных источников похожих сигналов должно быть крайне мало.

Один из главных кандидатов на роль тёмной материи — гипотетические частицы WIMP, или вимпы.

Название расшифровывается как Weakly Interacting Massive Particle — «слабовзаимодействующая массивная частица».

Предполагается, что вимпы обладают массой, но настолько редко взаимодействуют с обычным веществом, что способны проходить практически сквозь всё вокруг нас.

Если такая частица всё-таки столкнётся с ядром атома, она должна передать ему немного энергии. Именно такие редчайшие столкновения пытается зарегистрировать LUX-ZEPLIN.

Событие LZ230616 похоже на подобное взаимодействие: неизвестная частица столкнулась с ядром ксенона, вызвала его отдачу и слабую вспышку света.

Если причиной действительно была тёмная материя, то масса столкнувшейся частицы должна составлять как минимум около 200 ГэВ/c² — более чем в 200 раз больше массы протона. Причём её взаимодействие с обычным веществом, вероятно, сложнее, чем предполагают самые простые модели вимпов.

Тёмная материя — это предполагаемая невидимая форма материи, которую невозможно увидеть в телескоп, но присутствие которой учёные замечают благодаря гравитации.

Представьте галактику как огромную вращающуюся карусель.

Если учитывать только все видимые звёзды, планеты, газ и другие объекты, массы оказывается недостаточно, чтобы объяснить скорость движения звёзд на окраинах галактик. Они должны были бы двигаться иначе.

Но галактики ведут себя так, словно в них находится намного больше вещества, чем мы видим.

Возникает логичный вывод: там присутствует дополнительная невидимая масса.

Её и назвали тёмной материей.

Она «тёмная» не потому, что чёрного цвета. Такое вещество не испускает и не отражает свет, поэтому непосредственно увидеть его невозможно.

По современным представлениям, обычное вещество — звёзды, планеты, люди, животные и вообще всё, что мы непосредственно наблюдаем, — составляет лишь около 15% всей материи. Остальные примерно 85% приходится на тёмную материю.

Учёные пока не зарегистрировали частицу тёмной материи напрямую, но существует несколько важных косвенных доказательств её существования.

Одно из главных — вращение галактик. Звёзды на их окраинах движутся слишком быстро для того количества видимой материи, которое находится внутри.

Другой признак — гравитационное линзирование. Массивные объекты искривляют пространство-время и путь проходящего рядом света. Измеряя это искажение, астрономы могут оценить массу галактик и скоплений. И снова оказывается, что вещества там гораздо больше, чем можно увидеть.

Наконец, тёмная материя помогает объяснить, как после Большого взрыва во Вселенной смогли сформироваться галактики и гигантская космическая сеть.

Поэтому сегодня одна из главных загадок заключается уже не только в том, существует ли тёмная материя, но и из чего именно она состоит.

Если частицы тёмной материи настолько плохо взаимодействуют с веществом, возникает проблема: как отличить их от множества обычных частиц?

Для этого LUX-ZEPLIN спрятали практически в километре под землёй в бывшей золотой шахте.

Толща горной породы защищает установку от космических лучей. Дополнительную защиту обеспечивают резервуар с водой и внешние детекторы, которые помогают отсеивать нейтроны и другие источники ложных сигналов.

В центре установки находится жидкий ксенон.

В общей сложности эксперимент использует около 10 тонн сверхчистого жидкого ксенона. Если какая-либо частица взаимодействует с атомом внутри него, оборудование способно зарегистрировать крошечные вспышки света и электрический заряд. По их характеристикам физики восстанавливают обстоятельства столкновения.

Установка настолько чувствительна, что даже одно событие, которое невозможно объяснить известным фоном, представляет интерес для физиков.

На первый взгляд вероятность около 0,5% кажется очень маленькой.

Но физики работают с огромным количеством наблюдений, моделей и возможных случайностей. Если проводить достаточно много экспериментов, необычные результаты периодически возникают сами по себе.

Поэтому стандарты доказательства новых частиц чрезвычайно высоки.

В случае LZ исследователи изучали сотни различных вариантов взаимодействия тёмной материи. Для наиболее хорошо подходящей модели локальная значимость события была выше — около 3,4 сигмы. После учёта всех проверенных моделей глобальный показатель снизился до 2,6 сигмы.

До уровня 5 сигм, необходимого для заявления об открытии, результат пока не дотягивает.

Поэтому главная задача сейчас — увидеть, повторится ли сигнал.

Прямое обнаружение частицы тёмной материи стало бы одним из крупнейших открытий современной физики.

Учёные уже много лет видят её предполагаемое воздействие на Вселенную, но не знают её природы.

Если LZ или другой эксперимент подтвердит существование вимпов, физики впервые получат возможность изучать вещество, которого во Вселенной, судя по наблюдениям, примерно в пять раз больше, чем привычной нам материи.

Это позволит проверить существующие модели формирования галактик и может указать на физические законы, которые выходят за пределы нынешней Стандартной модели элементарных частиц.

Но даже если LZ230616 окажется не тёмной материей, результат способен привести к другому открытию. Физикам придётся объяснить, что ещё могло вызвать столь необычный сигнал.

Именно следующие данные должны решить судьбу загадочного события.

LUX-ZEPLIN продолжает наблюдения и уже накопил гораздо больший массив данных. Если LZ230616 действительно представляет собой взаимодействие с частицей тёмной материи, по мере роста статистики в детекторе должны появляться новые события с похожими характеристиками.

Если ничего подобного больше не произойдёт, вероятность того, что загадочный сигнал был статистической случайностью или неизвестным фоновым процессом, возрастёт.

Исследователи подчёркивают, что пока не называют результат открытием. Но за десятилетия экспериментов большинство подозрительных сигналов удавалось объяснить известными причинами. У LZ230616 такого объяснения пока нет.

Именно поэтому одна крошечная вспышка, произошедшая летом 2023 года глубоко под землёй, неожиданно стала одним из самых интересных событий в современной охоте за тёмной материей.

• Что такое тёмная материя?

Тёмная материя — предполагаемая форма материи, которая практически не взаимодействует со светом и поэтому невидима. О её существовании судят прежде всего по гравитационному воздействию на звёзды и галактики.

• Нашли ли тёмную материю в 2026 году?

Нет, открытие пока не подтверждено. Эксперимент LUX-ZEPLIN зарегистрировал одно необычное событие, которое может быть следом частицы тёмной материи. Его статистическая значимость составляет 2,6 сигмы, тогда как для открытия требуется около 5 сигм.

• Из чего состоит тёмная материя?

Этого учёные пока не знают. Среди возможных кандидатов рассматриваются различные неизвестные частицы, в том числе WIMP — слабовзаимодействующие массивные частицы.

• Можно ли увидеть тёмную материю?

Непосредственно увидеть её обычным способом нельзя, поскольку тёмная материя не излучает и практически не взаимодействует со светом. Однако её предполагаемое присутствие можно определить по гравитационному воздействию.

• Чем тёмная материя отличается от тёмной энергии?

Это разные понятия. Тёмная материя обладает массой и помогает объяснить гравитационное поведение галактик и формирование структуры Вселенной. Тёмная энергия — название неизвестного явления, которое связывают с ускоренным расширением Вселенной.

• Опасна ли тёмная материя для человека?

Данных о какой-либо опасности нет. Если современные представления верны, частицы тёмной материи постоянно окружают Землю и могут в огромном количестве проходить через обычное вещество, практически с ним не взаимодействуя.