Детектор темной материи поймал самые слабые нейтрино

Детектор, созданный для поиска темной материи, неожиданно стал инструментом для изучения еще одной загадочной частицы. Коллаборация XENON сообщила, что эксперимент XENONnT впервые зарегистрировал рассеяние низкоэнергетических солнечных нейтрино на электронах.

Установка находится на глубине около 1400 метров под горой Гран-Сассо в Италии. Исследователям удалось зафиксировать нейтрино с энергией около 17 кэВ — это самый низкий уровень, когда-либо зарегистрированный в подобных экспериментах, пишет Interactions.

Сигнал имеет статистическую значимость в 5 сигм, что означает крайне малую вероятность случайного совпадения. В основном речь идет о так называемых pp-нейтрино — частицах, которые рождаются в ходе протон-протонных реакций внутри Солнца. Именно эти реакции обеспечивают нашу звезду энергией, а pp-нейтрино составляют основную часть солнечного нейтринного потока.

Детектор темной материи стал нейтринной обсерваторией

XENONnT изначально создавался совсем для другой задачи — поиска WIMP, или слабо взаимодействующих массивных частиц. Они долгое время считались одним из главных кандидатов на роль темной материи, на которую, согласно современным оценкам, приходится около 85% всей материи во Вселенной.

В центре установки находится огромная камера с 5,9 тонны сверхчистого жидкого ксенона. Когда частица сталкивается с ксеноном, возникают слабые вспышки света и сигналы ионизации. По ним ученые могут определить, что произошло внутри детектора.

Чтобы заметить крайне редкие события, исследователям пришлось практически свести к минимуму фон от радиоактивных примесей, прежде всего радона. Для этого они тщательно проверяют материалы, используемые в установке, и применяют специальную систему криогенной дистилляции.

В результате чувствительность XENONnT оказалась настолько высокой, что детектор смог увидеть взаимодействия солнечных нейтрино, которые прежде не удавалось зарегистрировать ни одному прибору.

«Это важная веха на пути к изучению физики низкоэнергетических нейтрино», — сказал Масатоши Кобаяси из Университета Нагоя, руководивший анализом данных.

Чем чувствительнее детекторы, тем ближе «нейтринный туман»

Новый результат стал продолжением другого важного достижения XENONnT. В 2024 году эксперимент впервые зарегистрировал когерентное упругое рассеяние солнечных нейтрино на атомных ядрах. Теперь учёные получили ещё один способ наблюдать нейтрино и подтвердили, насколько чувствительным стал детектор.

Но у этой чувствительности есть обратная сторона.

Чем лучше детекторы научатся различать слабые сигналы, тем заметнее в их данных будут становиться солнечные нейтрино. Для экспериментов по поиску тёмной материи это проблема: нейтрино могут имитировать сигналы, которые исследователи пытаются обнаружить.

Учёные называют этот предел «нейтринным туманом». В какой-то момент фон от нейтрино станет настолько значительным, что отделить его от потенциального сигнала тёмной материи будет крайне сложно.

«Этот результат показывает, что мы действительно приближаемся к уровню, когда нейтрино становятся значимым фоном», — отметил Кобаяши в комментарии Scientific American.

Следующее поколение детекторов будет искать и темную материю, и нейтрино

Опыт XENONnT уже используется при разработке следующей крупной установки — XLZD. Это планируемый жидкоксеноновый детектор нового поколения, объём которого будет примерно на порядок больше.

Более крупная установка должна повысить шансы обнаружить редкие взаимодействия тёмной материи, а заодно позволит гораздо точнее изучать солнечные нейтрино.

«Это убедительное свидетельство того, насколько зрелой стала технология», — сказал Лука Гранди, профессор Чикагского университета и участник коллаборации XENON.

Таким образом, охота за тёмной материей постепенно превращается ещё и в охоту за нейтрино. И чем чувствительнее становятся такие эксперименты, тем ближе физики подходят к пределу, за которым слабый сигнал новой физики может буквально раствориться в потоке частиц, приходящих от Солнца.