Многолетние попытки разгадать одну из главных загадок космоса — найти «потерянную часть» вселенной, которая, как предполагается, составляет большинство её материи — не принесли ожидаемого результата. Однако именно в этих неудачах кроются новые открытия, меняющие представление о фундаментальных частицах и структуре окружающего мира. Одно из таких исследований — проект LUX-ZEPLIN (LZ), крупнейший в своём роде эксперимент по поиску тёмной материи, завершился без прямых доказательств существования предполагаемых WIMPs (слабовзаимодействующих массивных частиц). Тем не менее, благодаря ему учёные получили ценнейшие данные для будущих исследований и уточнили параметры, которые раньше казались неопределёнными.

Что такое тёмная материя и почему она так важна?

Тёмная материя — гипотетическая субстанция, которая, согласно астрономическим наблюдениям, составляет около 27% всей энергии во вселенной. В отличие от обычной материи, она не излучает, не отражает и не поглощает свет, делая её невидимой для традиционных методов наблюдения. Но её присутствие можно определить по гравитационным эффектам, таким как вращение галактик и гравитационное линзирование. Несмотря на это, до сих пор не обнаружены прямые доказательства существования частиц тёмной материи, а их природа остаётся одним из крупнейших вопросов современной физики.

Проект LUX-ZEPLIN: как ищут невидимое

Проект LUX-ZEPLIN — это крупнейший в мире детектор тёмной материи, расположенный на глубине в одну милю (около 1,6 километра) в штате Южная Дакота. Его основная задача — обнаружить взаимодействие гипотетических WIMPs с атомами ртути и ксенона внутри гигантской камеры, заполненной жидким ксеноном. Такая взаимодействующая частица должна вызывать световые вспышки и выброс электронов, которые регистрируются сверхчувствительными датчиками.

За 417 дней, с марта 2023 по апрель 2025 года, команда учёных модернизировала детектор, повысила его чувствительность и подготовила к поиску самых редких взаимодействий. В ходе эксперимента было собрано крупнейшее в своём роде множество данных. В ходе анализа не было обнаружено явных следов WIMPs, отвечающих текущим моделям, что подчеркивает сложность задачи поиска и указывает на необходимость дальнейших исследований.

Борьба с фальшивыми сигналами и улучшение методов

Одной из важных целей исследования было отличить сигналы потенциальной тёмной материи от сигналов солнечных нейтрино — практически безмассовых субатомных частиц, генерируемых в солнечных реакциях. Для этого учёные использовали новые методы калибровки и усовершенствовали чувствительность детектора, чтобы выделить сигналы нейтрино, связанные, например, с реакциями бора-8 внутри солнца. Эти нейтрино могут давать ложные срабатывания детектора, которые ошибочно интерпретируются как взаимодействия с тёмной материей.

В результате удалось подтвердить, что взаимодействия бора-8 происходят с вероятностью примерно раз в месяц в 10-тонной зоне ксенона. Это важнейшее достижение, позволяющее исключить или минимизировать ложные срабатывания и повысить точность поиска реально редких событий. Кроме того, эксперимент достиг уровня достоверности около 4,5 сигм — что ярко превосходит показатели прошлого года и приближается к необходимому для подтверждения открытия уровню 5 сигм.

Что не показали эксперименты и что это значит?

Несмотря на огромные усилия, команда LZ не обнаружила явных признаков существования WIMPs — главного кандидата на роль тёмной материи. Взаимодействие этих частиц должно было оставить в детекторе уникальный след — так называемое когерентное рассеяние, при котором частица одновременно с большой вероятностью сталкивается со всей ядром атома, вызывая характерный отклик. Однако ни один из зарегистрированных сигналов не соответствовал этим требованиям.

«Если бы WIMP действительно взаимодействовал с ядром, мы бы увидели его. Но этого не произошло. Это важное сообщение — оно помогает нам сузить параметры поиска и исключить целый класс гипотез».

Обидно, что искомая частица пока так и остаётся вне досягаемости современных технологий. Но отсутствие обнаружения — не провал, а важная научная находка, которая подталкивает учёных к новым моделям и теоретическим предположениям о природе тёмной материи. Результаты эксперимента помогают скорректировать существующие модели и избегать ложных срабатываний в будущих экспериментальных сценариях.

План на будущее и новые горизонты исследования

Запланирована вторая фаза эксперимента, которая начнётся в 2028 году и продлится не менее 1000 дней. Такой длительный сбор данных увеличит шансы зафиксировать крайне редкие взаимодействия или новые явления, выходящие за рамки текущей модели Стандартной физики. В будущем детектор LZ будет искать не только WIMPs и солнечные нейтрино, но и другие возможные формы новой физики — например, частицы, ответственное за возникновение гравитационных аномалий или гипотетические скалярные поля, которые могут объяснить темную энергию.

Участники миссии не исключают, что именно благодаря этим проектам откроются неизвестные сегодня горизонты науки, приведшие к революционным открытиям в понимании Вселенной. Работа в таких условиях учит, что даже отрицательные результаты — важнейший инструмент научного прогресса, поскольку они помогают сузить круг возможных гипотез и укрепляют теоретическую базу.

Заключение: отрицательные результаты как двигатели прогресса

Физика последних десятилетий показывает: каждый «неудачный» эксперимент — это не конец, а новая точка отсчёта. В конце концов, именно благодаря постоянному анализу данных и отказу от иллюзий учёные делают шаги к разгадке самой глубокой загадки вселенной — её «потерянного» кусочка, который всё ещё скрыт за горизонтом наших технологий. Тщательное исключение кандидатов, таких как WIMPs, — это важный этап, который готовит почву для прорыва в понимании космоса.

Работы по поиску тёмной материи продолжаются, и пока что нам остаётся ждать новых результатов, новых технологий и неожиданных открытий, которые откроют перед человечеством истинную картину построения вселенной.