Первый привет от темной материи? Действительно ли физики открыли новую фундаментальную частицу

Фото Getty Images
Фото Getty Images
Участники международного исследовательского проекта XENON1T сообщили о возможной регистрации аксиона — гипотетической частицы темной материи. Насколько надежен этот результат и как он изменит человеческие представления о Вселенной?

В конце прошлой недели мировые СМИ сообщили о результатах, полученных в ходе эксперимента XENON1T в итальянской исследовательской лаборатории Gran Sasso. Эти результаты могут означать, что впервые зарегистрированы частицы так называемой темной материи — неуловимого  вещества, составляющего 4/5 всей материи Вселенной, о природе которого, тем не менее, физики на сегодняшней день практически не имеют никаких данных. Если бы этот результат подтвердился, он вполне мог бы оправдать сенсационно звучащие заголовки, упоминающие «Святой Грааль». Однако дают ли опубликованные данные достаточно поводов для заявлений об открытии?

Национальная лаборатория Гран-Сассо в Италии — детектор элементарных частиц, расположенный под горным массивом на глубине полутора километров. Установка предназначена для регистрации частиц темной материи. Эти частицы, как предполагается, почти не взаимодействуют с обычной материей, а потому, когда такие взаимодействия происходят, их довольно сложно обнаружить на фоне других событий — к примеру, регистрации частиц обычной материи, прилетающих от Солнца или из глубин космоса. Именно поэтому для успеха эксперимента детектор было необходимо разместить на большой глубине под землей.

За время существования лаборатории в ней было проведено несколько экспериментов по регистрации частиц темной материи, и XENON1T  — последний из этой серии. Первоначально предполагалось, что эти частицы представляют собой так называемые WIMP («слабо взаимодействующие массивные частицы»). Такие частицы могли бы иногда сталкиваться с ядрами ксенона в детекторе (который, собственно, представляет собой бак с 3,2 т жидкого ксенона) и производить вспышки света, которые и регистрируются приборами. Однако 14 лет наблюдений не дали результата: столкновения гипотетических частиц с ядрами явно не происходили с той частотой, какую можно было ожидать на основании теоретических моделей темной материи, состоящей из WIMP.

Поэтому несколько лет назад исследователи решили обратить внимание на другой тип событий: частицы, значительно более легкие, чем WIMP, могли бы сталкиваться не с ядрами ксенона, а с электронами. Подобные события действительно наблюдались, однако первоначально исследователи списывали их на радиоактивные загрязнения. Тем не менее, на определенном этапе была достигнуто настолько высокая чистота рабочего вещества, что стало возможным количественно оценить вклад событий, необъяснимых с точки зрения привычной физики.

На первый взгляд полученный результат не выглядит сенсационным: известные физические процессы могли дать в среднем 232 события «электронного отскока» (electronic recoil), тогда как в реальности их зарегистрировано 285. Однако излишек в 53 события на статистическом языке называются «отклонением в 3 сигмы» — вероятность случайной флуктуации не превосходит 0,2%, и это позволяет говорить о получении физически значимого результата.

Согласно интерпретации авторов, существует три возможных объяснения. Первое из них выглядит наиболее амбициозно и действительно может означать революцию в физике. По этой гипотезе, в эксперименте были зарегистрированы исходящие от Солнца аксионы — гипотетические частицы, постулированные некоторыми физическими моделями, однако не являющиеся частью общепринятых теорий в физике элементарных частиц. Если аксионы действительно существуют, они должны быть немного похожи на фотоны (хотя, в отличие от фотонов, обладают небольшой массой) и рождаться в огромных количествах в термоядерной реакции в недрах Солнца. Предполагается, что именно «солнечные» аксионы и проникли в толщу горного массива Гран-Сассо и были зарегистрированы детектором.

Теории, допускающие существование аксионов, подразумевают, что эти частицы могли бы составлять недостающую часть материи во Вселенной и тем самым быть кандидатами на роль частиц темной материи, благодаря которой масса галактик именно такова, какую наблюдают астрономы, а не впятеро меньше.

Другое объяснение также предполагает существенную ревизию сложившихся представлений, хотя до революции в науке, вероятно, не дотягивает: оно предполагает наличие у нейтрино — очень легких незаряженных частиц, в изобилии исходящих от Солнца и прилетающих из космоса — довольно большого магнитного момента. О свойствах нейтрино физики знают далеко не все: к примеру, из существующих теорий не следует, что у нейтрино может быть масса, однако масса у них действительно есть, хотя ее пока не удалось точно определить. Существование у нейтрино большого магнитного момента также будет означать, что общепринятая физика элементарных частиц — так называемая Стандартная модель — нуждается в пересмотре.

Наконец, авторы не исключают и банального объяснения: наблюдаемый избыток события может быть вызван загрязнением детектора радиоактивным тритием. Исключить этот вариант можно будет лишь в ходе нового эксперимента в Гран-Сассо, который получил название XENONnT. В нем будет использовано уже больше 8 т жидкого ксенона, и ожидаемый избыток событий «электронного отскока» — если верна одна из первых двух гипотез — составит уже не 50, а более 800 событий.

Лаборатория Гран-Сассо была построена еще в 1980-х годах. Стоимость подобных детекторов значительно ниже, чем стоимость ускорителей частиц наподобие Большого Адронного коллайдера. Инфраструктура по существу представляет собой один подземный тоннель, в котором установлено оборудование. В то время как БАК дает работу нескольким тысячам физиков и технического персонала, для обслуживания детекторов Гран-Сассо достаточно трех десятков человек. 

Поиск частиц темной материи идет уже несколько десятилетий и пока не принес существенных результатов. Ожидание затянулось, и вполне понятно волнение, с которым ученые всего мира встречают каждый новый обещающий результат, — однако, как гласит древняя китайская поговорка, «если очень ждешь друга, не принимай стук своего сердца за топот копыт его коня». Насколько вероятно, что результат коллаборации XENON1T выдержит дальнейшие проверки и действительно заложит основы новой физики за пределами Стандартной модели? Специально для Forbes результаты исследования прокомментировал Михаил Иосифович Высоцкий, чл.-корр. РАН и профессор кафедры физики элементарных частиц МФТИ:

«Конечно, пока все это очень ненадежно. Результат получен, как говорят физики, «на уровне 3σ». В экспериментальной физике последних лет было очень много предварительных результатов на уровне 3σ, которые так и не были подтверждены на том уровне статистической достоверности, который принято считать приемлемым для заявлений об открытии (обычно это 5σ). Более того, авторы и сами указывают на возможный источник погрешности в своем эксперименте: это распад радиоактивного трития. Для подтверждения результата потребуется новый эксперимент, и окончательного результата не следует ждать раньше, чем через несколько лет.

Однако оживление, которая вызвала эта научная работа среди физиков и популяризаторов, вполне понятно: она имеет отношение к загадке темной материи, которую, несмотря на все усилия, разрешить пока не удается. Подтверждение результата означало бы необходимость очень серьезной ревизии современных теоретических представлений об элементарных частицах — так называемой Стандартной модели. Этого давно ждут, однако за последние 8 лет, прошедшие после открытия бозона Хиггса, в физике элементарных частиц не было сделано никаких новых открытий. Поэтому ученое сообщество с таким вниманием отнеслось к результатам, полученным в Гран-Сассо: скучно же, когда ничего не происходит».