Физики LZ первый раз зафиксировали упругое рассеяние солнечных нейтрино

Физики из эксперимента LUX-ZEPLIN (LZ) зарегистрировали эффект упругого когерентного рассеяния солнечных нейтрино на ядрах ксенона и установили самые строгие ограничения на параметры темной материи для масс от пяти гигаэлектронвольт. Для этого использовали двухфазный эмиссионный детектор с семью тоннами жидкого ксенона. Результаты были представлены в ходе онлайн-трансляции и опубликованы в препринте на arXiv.org.

Согласно современным представлениям, гравитирующая материя во Вселенной превышает видимую примерно в пять раз. Скрытую массу ученые называют темной материей. Ее существование подтверждают косвенные наблюдения: вращение звезд в галактиках, гравитационное линзирование и неоднородности реликтового излучения. Состав темной материи остается неизвестным. Одна из популярных гипотез предполагает существование тяжелых слабовзаимодействующих частиц — вимпов (WIMP, weakly interacting massive particle). Их поиск продолжается десятилетиями с использованием все более чувствительных детекторов.

Область параметров вимпов ограничена фоном от упругого когерентного рассеяния солнечных и атмосферных нейтрино, дающего сигналы, похожие на ожидаемые от частиц темной материи при малых сечениях взаимодействия. Для продолжения поиска необходимо зафиксировать и охарактеризовать этот фон. До сих лишь два детектора — XENONnT и PandaX — сообщили о возможном наблюдении такого рассеяния, с достоверностью не выше трех стандартных отклонений.

В новой работе команда LZ под руководством Рика Гейтскелла (Rick Gaitskell) из Университета Брауна зафиксировала упругое когерентное рассеяние нейтрино. Детектор расположен в подземной лаборатории Хоумстейк на глубине около 2400 метров. Он состоит из девяти тонн жидкого ксенона в баке с 17 тоннами жидкого сцинтиллятора, который окружен 230 тоннами сверхчистой воды. Такая многослойная система и подземное размещение значительно снижают внешний радиационный фон. На момент исследования накоплено 417 дней экспозиции. Основное внимание уделялось области малых масс, где вклад гамма-фона минимален.

После обработки данных и исключения фоновых событий ученые зафиксировали 19 событий в допустимой области параметров. Согласно моделированию, ожидалось около 20,6 +8,9 −6,8 событий от упругого когерентного рассеяния солнечных нейтрино и 6,6 ± 0,3 фоновых событий. По расчетам команды, это соответствует примерно 12 событиям от солнечных нейтрино и отсутствию сигналов от частиц темной материи. Эффект упругого когерентного рассеяния был подтвержден с достоверностью около 4,5 стандартных отклонений. Результаты позволили установить наиболее строгие на сегодня ограничения на параметры темной материи для масс 3–9 гигаэлектронвольт.

Более подробную информацию о темной материи и методах ее поиска см. в материале «Невидимый цемент Вселенной».

Читайте также: