Детектор тёмной материи зарегистрировал странный сигнал, который учёные пока не могут объяснить

Почти столетие учёные пытаются установить природу тёмной материи — невидимого вещества, на которое, как предполагается, приходится около 85% всей материи во Вселенной. Его гравитационное влияние наблюдается по всему космосу, однако ни один эксперимент до сих пор не детектировал само это вещество напрямую. Понять, из чего состоит тёмная материя, остаётся одной из важнейших нерешённых задач современной физики.

Новый анализ данных эксперимента LUX-ZEPLIN (LZ) выявил особенно интригующее событие. Исследователи зарегистрировали единственное взаимодействие частицы, которое оказалось трудно объяснить известными фоновыми сигналами, порождаемыми обычным веществом. Статистической силы результата недостаточно, чтобы говорить об открытии. Тем не менее, по словам учёных, это самый убедительный потенциальный сигнал тёмной материи, который LZ сообщал до сих пор.

LZ — международный проект, объединяющий 250 учёных и инженеров из 39 институтов. Эксперимент управляется Lawrence Berkeley National Laboratory Министерства энергетики США и работает на глубине почти одной мили под землёй на Sanford Underground Research Facility (SURF) в Южной Дакоте. В сердце детектора — 10 тонн высокочистого жидкого ксенона. Прибор создан прежде всего для поиска WIMP — слабо взаимодействующих массивных частиц, одного из ведущих кандидатов на роль тёмной материи.

Новые результаты были представлены в научном докладе на конференции TeV Particle Astrophysics 2026 в Японии. Статья также будет размещена на arXiv и подана в Physical Review Letters.

«Нам очень интересно видеть это событие в данных — в той области, где мы ожидаем проявление тёмной материи и где конкурирующие фоны очень низки, — сказал Рик Гейтскелл, профессор Брауновского университета и спикер LZ. — С одним-единственным событием мы не хотим забегать вперёд. Мы не заявляем, что увидели тёмную материю. Но мы увидели нечто интересное, чем хотим поделиться с научным сообществом, чтобы получить его оценку».

Коллаборация LZ анализирует результаты эксперимента порциями. В этом исследовании учёные проанализировали 220 дней наблюдений, собранных с марта 2023 по апрель 2024 года. Ранее тот же массив данных уже исследовали на предмет очень слабых сигнатур, связанных с простейшими формами взаимодействий WIMP. На этот раз поиск расширили, включив более широкий класс возможных взаимодействий WIMP, способных депонировать в детекторе бóльшие энергии. LZ особенно чувствителен именно к событиям такого типа, а его конструкция помогает снизить вероятность принять обычные взаимодействия частиц за тёмную материю.

«Это было детальное исследование области, которую мы ещё не изучали в этом наборе данных, и мы потратили дополнительные месяцы, чтобы понять все возможные причины фоновых событий, — сказал Сэм Эриксен, старший научный сотрудник Бристольского университета (Великобритания) и ведущий автор работы. — Мы понимаем наш детектор и фоны настолько хорошо, что даже одно выдающееся событие, подобное найденному, имеет значение. Мы ожидаем, что события тёмной материи крайне редки, поэтому всего несколько таких событий могли бы ознаменовать первое детектирование тёмной материи в виде WIMP».

Если необычный сигнал действительно порождён тёмной материей, то масса ответственной за него WIMP должна составлять не менее 200 ГэВ/c² — то есть такая частица более чем в 200 раз тяжелее протона. Такой результат также указывал бы на определённый тип взаимодействия WIMP с обычным веществом, выходящий за рамки простейших моделей, которые обычно рассматриваются в поисках тёмной материи.

Есть важная причина, по которой учёные сохраняют осторожность. В физике частиц результат должен достигать статистической значимости «5 сигма», чтобы считаться открытием. Новый результат LZ пока находится на уровне 2,6 сигма. По оценке исследователей, это соответствует примерно 0,5% вероятности того, что необычное событие могло быть порождено известными фоновыми источниками.

Решающее значение будут иметь дальнейшие наблюдения. По мере того как LZ накапливает дополнительные данные, учёные смогут увидеть, растёт ли статистическая значимость события или видимый сигнал в конечном итоге исчезает. LZ уже собрал крупнейший в мире массив данных для поиска тёмной материи и продолжит набор данных по WIMP на SURF, что в будущем даст гораздо более сильную статистику.

Эксперимент ищет тёмную материю, регистрируя характерные вспышки света, возникающие, когда частицы депонируют энергию внутри детектора. Сложность в том, что обычное вещество также способно порождать взаимодействия частиц. Поэтому LZ использует несколько уровней защиты и анализа, чтобы выявлять фоновые события и не путать их с тёмной материей. Подземное расположение — первая линия защиты: почти миля породы над экспериментом блокирует большую часть космических лучей из космоса. Окружающий водяной бак и дополнительные внешние детекторы экранируют центральный детектор от фоновых нейтронов. Исследователи также применяют сложные вычислительные методы, чтобы различать разные типы взаимодействий частиц и отбрасывать события, имитирующие сигнатуры, ожидаемые от тёмной материи.

Необычное событие привлекло особое внимание, поскольку до сих пор оно не выявило тех проблем, которые учёные обычно обнаруживают при более пристальном изучении выброса. «Выбросы в данных не являются чем-то неожиданным, но при углублённом рассмотрении они обычно оказываются каким-то фоном, — сказал Аарон Маналайсай, физик Berkeley Lab и председатель институционального совета LZ. — Это первый случай во всех экспериментах, в которых я работал, когда выброс выглядит валидным по всем параметрам. Конечно, мы по-прежнему ломаем голову, нет ли какого-то редкого фонового механизма, который мы могли упустить, но волнующе думать, что это может быть первый намёк на наблюдение тёмной материи».

Пока одно необъяснённое событие недостаточно, чтобы утверждать, что тёмная материя наконец детектирована. Но поскольку сигнал появился в области, где тёмная материя может ожидаться, и выдержал всестороннюю проверку, исследователи считают, что он заслуживает пристального внимания по мере продолжения набора данных.

LZ поддерживается Министерством энергетики США (Управление науки, Управление физики высоких энергий и ядерной физики) и Национальным вычислительным центром энергетических исследований (NERSC). Дополнительную поддержку оказывают Совет по науке и технологиям Великобритании, Португальский фонд науки и технологий, Швейцарский национальный научный фонд, Центр передового опыта Австралийского исследовательского совета по физике частиц тёмной материи и Институт фундаментальной науки (Корея). Поддержку LZ оказали 39 высших учебных заведений и исследовательских институтов; коллаборация также благодарит Sanford Underground Research Facility.

Работа опубликована в виде препринта: D.S. Akerib и др., «Search for dark matter particle interactions in an extended nuclear recoil energy window with the LUX-ZEPLIN (LZ) experiment», arXiv, 2 сентября 2026, DOI: 10.48550/arXiv.2609.02823.