Міжнародна команда фізиків, можливо, уперше детектувала аксіони – гіпотетичні ультралегкі елементарні частинки, які не входять у Стандарну модель. Фізики-теоретики уперше постулювали існування цих частинок ще у 1970-х рр., щоб вирішити проблему збереження CP-інваріантності у квантовій хромодинаміці. Але згодом аксіони (до речі, названі на честь прального порошка «Акс», що, на думку Френка Вільчека, лауреата Нобелівської премії 2004 р., мало б свідчити про «очищення» квантової хромодинаміки від проблеми сильного СР-порушення) стали популярним поясненням темної матерії – загадкової субстанції, яка, за підрахунками, становить 85% маси Всесвіту, але не випромінює світла. Вчені знають про темну матерію лише за її гравітаційним впливом на галактики й поки що не мають гадки, що це за субстанція. Існує низка гіпотетичних елементарних частинок, які могли б лежати в її основі, серед яких, зокрема, і аксіони.
Якщо результати експерименту підтвердяться, аксіони, однак, не пояснять більшість відсутньої маси у Всесвіті, – стверджує Кай Мартенс, фізик з Токійського університету й один з авторів експерименту. Вони народжуються у Сонці і не є часками тієї «холодної темної матерії», яка заповнює гало галактик і існує з часів раннього Всесвіту.
Також поки що немає певності, чи справді експеримент XENON детектував аксіони. Хоча дані збирали два роки, натяк на сигнал досі слабкий і ще не дозволяє впевнено оголосити про відкриття. Якщо накопичиться більше даних, він узагалі може зникнути.
Проте зараз досить достовірно виглядає на те, що сигнал усе-таки був. Його підхопили у резервуарі, що містить 3,5 тонни рідкого ксеному (3,2 метричної тонни) і розташований глибоко під землею у Національній лабораторії Ґран-Сассо в Італії. Принаймні два інших ефекти могли пояснити ці дані, але фізики протестували альтернативні версії і дійшли висновку, що найвірогідніше пояснення – це усе-таки аксіони.
«Якщо ці результати підтвердяться – а це досить велике “якщо”, – вони стануть найбільшим переломним моментом у моїй ділянці фізики з часів відкриття космічного прискорення», – каже фізик Чанда Прескод-Вайнштейн з Університету Нью-Гемпширу, яка не брала участі в експерименті (Відкриття космічного прискорення у 1998 р. показало, що Всесвіт не просто розширюється, а розширюється з прискоренням).
В експерименті XENON фізики стежать за мініатюрними спалахами світла у темних, ізольованих резервуарах ксенону, які непроникні для більшості видів випромінювання, окрім вузького діапазону ультралегких частинок. Проникаючи в резервуар, вони взаємодіють там з атомами рідини, утворюючи ці мініатюрні спалахи. Науковці слідкують за ними у певних енергетичних діапазонах, які відповідають енергіям гіпотетичних, але ще не відкритих частинок. Уперше детектор підходив сигнал у низькому енергетичному діапазоні, який відповідає тим значенням, які, за розрахунками, мали б бути в аксіонів.
Досі за допомогою експерименту XENON вчені шукали здебільшого інший вид частинок, а саме так звані «вімпи» (англ. weakly interacting massive particles – “слабко взаємодіючі масивні частинки”), які досі були основними кандидатами на роль частинок темної матерії. Але за кілька років експериментів фізики так і не підхопили сигнал «вімпів» у жодному з розрахункових діапазонів.
«Хоча протягом багатьох десятиліть “вімпи” були основною гіпотезою в основі темної матерії, принаймні стільки ж часу говорили про аксіони, а останніми роками відбулась ціла низка експериментів, які мали довести їхнє існування. Цей експеримент може поставити елеґантну крапку у цих спробах», – каже фізик з Університету Ореґону Т’єн-Т’єн Ю, яка теж не брала участі в експерименті.
Ю, щоправда, додає, що сигнал, який міг підхопити XENON, репрезентує не холодну темну матерію, а аксіони, які утворились в самому Сонці. Мартенс з цим погоджується, але додає, що навіть ці сонячні аксіони – це раніше небачені частинки, які, наче привиди, наповнюють Всесвіт і у багатьох сенсах можуть кваліфікуватись як темна матерія. Хоча він визнає, що вони не пояснюють величезну кількість «відсутньої» маси у Всесвіті.
Тож фізики, найімовірніше, трактуватимуть результати експерименту XENON як попередні. Більшу експериментальну лабораторію під назвою XENONnt споруджують Італії, й вони повинна дати чіткішу статистику. Крім того, альтернативні експерименти в Китаї та Сполучених Штатах вже проводять або вони перебувають у процесі розробки.
Rafi Letzter,
Physicists Announce Potential Dark Matter Breakthrough
Scientific American, 17/06/2020
Зреферував Є. Л.
19.06.2020