Лёгкие субатомные частицы, известные как нейтрино, начинают проявляться в данных экспериментов, изначально предназначенных для обнаружения частиц тёмной материи. Два таких эксперимента, XENONnT и PandaX-4T, зафиксировали первые признаки нейтрино, «рождённых» на Солнце, что стало важной вехой в улучшении работы детекторов.
«Это настоящий триумф и значимая веха», — комментирует Кейт Шолберг, физик, изучающий нейтрино из Университета Дьюка, не участвовавшая в исследовании.
Феномен, называемый «нейтринным туманом», открывает новые возможности для изучения труднообнаруживаемых субатомных частиц. Однако, он также сигнализирует о начале конца для детекторов тёмной материи этого типа, поскольку по мере улучшения их чувствительности нейтринный туман может скрыть потенциальные признаки тёмной материи.
Эксперимент XENONnT, расположенный в Национальной лаборатории Гран-Сассо в Италии, и эксперимент PandaX-4T в Китайской подземной лаборатории Цзиньпин в Ляншане обнаружили свидетельства нейтрино, произвёденных на Солнце. Результаты были представлены на Международном семинаре по идентификации темной материи в Л'Акуиле, Италия, и в статье на arXiv.org.
«Результат открывает новые возможности использования наших детекторов для изучения нейтрино и поиска связанных с ними новых физических явлений», — отмечает Нин Чжоу, физик из Шанхайского университета Цзяотун и заместитель представителя PandaX.
Нейтрино производятся в различных реакциях ядерного синтеза, питающих Солнце. Некоторые из самых энергичных нейтрино возникают в результате радиоактивного распада бора-8. Учёные давно предсказывали, что эти нейтрино достаточно распространены и имеют соответствующие энергии, чтобы их можно было обнаружить в детекторах тёмной материи.
Детекторы тёмной материи, такие как XENONnT и PandaX-4T, содержат несколько метрических тонн жидкого ксенона. Когда частица тёмной материи сталкивается с ядром атома ксенона, эксперименты могут обнаружить отскок ядра, выявляя присутствие тёмной материи. Однако, нейтрино также могут вызывать подобные отскоки, сталкиваясь с атомными ядрами.
Этот тип взаимодействия нейтрино с целыми атомными ядрами был впервые обнаружен в 2017 году в эксперименте COHERENT с использованием нейтрино из лабораторного источника. Два новых эксперимента знаменуют собой первые признаки столкновения нейтрино от Солнца с ядрами. Ранее учёные обнаруживали солнечные нейтрино другими способами.
В будущем обнаружение солнечных нейтрино через ядра, которые они выбивают, может помочь физикам лучше понять эти частицы. Например, учёные могли бы изучать сигнал нейтрино, чтобы найти то, что детекторы могли бы упустить: гипотетические «стерильные» нейтрино, которые вообще не взаимодействуют с материей, за исключением гравитационных сил. Детекторы тёмной материи также могли бы обнаруживать нейтрино из других источников, таких как взрывающиеся звёзды в относительной близости.
«Очень здорово видеть, что мы можем превратить этот детектор в нейтринную обсерваторию», — говорит Майкл Мурра, физик из Колумбийского университета и участник коллаборации XENONnT.
Нейтрино пока не ограничивают производительность детекторов тёмной материи. Сигнал солнечных нейтрино будет скрывать только частицы тёмной материи с малой массой, которые попадают ниже диапазона масс, который эти детекторы наиболее тщательно изучают на предмет тёмной материи. Ещё предстоит пройти долгий путь, прежде чем нейтрино начнут препятствовать обнаружению тёмной материи с более высокими массами.
Однако, дальнейшее совершенствование начнёт становиться затруднительным. Учёные уже обсуждают переход к детекторам, которые измеряют направление входящих частиц, что позволило бы исследователям искать взаимодействия, происходящие вдали от Солнца, исключая солнечные нейтрино из своих данных.