Международен екип от учени е регистрирал необичаен сигнал, който може да се окаже една от най-значимите следи досега за съществуването на тъмната материя. Въпреки това изследователите остават предпазливи: наблюдаваното събитие е интригуващо, но не е достатъчно, за да бъде обявено за научно откритие, обяснява CNN.

Тъмната материя съставлява около 85% от цялата материя във Вселената и е приблизително пет пъти по-разпространена от обикновената материя, от която са изградени звездите, планетите и всичко, което можем да наблюдаваме. Тя не поглъща и не отразява светлина, поради което остава невидима, но гравитационното ѝ влияние е важно за обяснението на формирането на галактиките и структурата на Вселената.

Вече близо половин век, след като Вера Рубин и У. Кент Форд предоставят едни от най-силните доказателства за тъмната материя, учените продължават да изследват нейната същност. Един от най-значимите експерименти в тази област е LUX-ZEPLIN (LZ) – детектор с около 7 метрични тона течен ксенон, разположен на 1,5 километра под земята в Sanford Underground Research Facility в Южна Дакота.

През юни 2023 г. детекторът отчита необичайно взаимодействие между частици, което предизвиква светлинен импулс и веднага привлича вниманието на учените. В продължение на месеци екипът провежда анализи и изчислява, че вероятността събитието да е причинено от известен източник на смущения е едва около 0,5%. Това го превръща в най-убедителната потенциална следа за тъмна материя, която LZ е засичал досега.

„Едно събитие само по себе си не е достатъчно“, подчертава пред CNN Алвин Камаха, преподавател по физика в Калифорнийския университет в Лос Анджелис и член на екипа на LZ. Според нея учените трябва да установят дали с натрупването на нови данни ще бъдат регистрирани още подобни събития и дали статистическата значимост на наблюдението ще се увеличи.

Резултатите бяха представени на 1 септември на конференцията TeV Particle Astrophysics 2026 в Япония. Изследването е изпратено за публикуване в списание Physical Review Letters. В областта на физиката на елементарните частици стандартът за официално откритие е 5-sigma, което означава ниво на статистическа сигурност, при което вероятността резултатът да е случаен е около 1 към 3,5 милиона.

В момента резултатът на LZ е на ниво 2,6-sigma, което съответства на вероятност от около 1 към 200 наблюдението да е статистическа случайност.

По думите на Камаха окончателното потвърждение би представлявало „сериозен пробив“.

„Знаем, че тъмната материя играе важна роля при формирането на галактиките и мащабната структура на Вселената, но все още не знаем какво всъщност представлява“, казва тя пред CNN. Подобно откритие би могло да отвори изцяло ново направление във физиката на частиците.

Проучване твърди, че е открило първото пряко доказателство за тъмна материя

Как учените се опитват да уловят нещо, което почти не взаимодейства с материята?

Съществуват различни хипотези за природата на тъмната материя, включително първични черни дупки и неизвестни елементарни частици. LZ е създаден специално за откриване на един от основните кандидати – т.нар. WIMP частици, или слабо взаимодействащи масивни частици.

Ако съществуват, тези частици преминават през обикновената материя почти без взаимодействие. Теоретично огромен брой от тях могат да преминават през човешкото тяло всяка секунда, без да бъдат засечени. В редки случаи обаче такава частица може да се сблъска с атомно ядро и да предизвика минимално отклонение. LZ е проектиран да регистрира именно този тип взаимодействия.

Експериментът използва изключително пречистен течен ксенон. Тежките му атомни ядра го правят особено чувствителен към потенциални взаимодействия. Детекторът е разположен дълбоко под земята и защитен с няколко слоя, които ограничават влиянието на космическите лъчи и други източници на радиация. Въпреки това този „шум“ може да бъде намален, но не и напълно елиминиран.

Телескопът „Роман“ може да разкрие невидимата страна на Вселената

Винаги остава възможността събитията в детектора да са причинени от по-конвенционални механизми. Тъмната материя взаимодейства изключително слабо с обикновената материя, затова дори при детектор с мащабите на LZ учените могат да чакат месеци или години за едно-единствено потенциално взаимодействие.

Сигналът от 2023 г. е идентифициран при анализ на 220 дни данни, събрани между март 2023 г. и април 2024 г. В момента екипът работи с по-голям набор от данни – около 700 дни наблюдения. Целта е да бъдат открити допълнителни потенциални взаимодействия, които да помогнат за установяването на връзка между необичайния сигнал от 2023 г. и тъмната материя.

За да намалят риска от несъзнателна предубеденост, учените използват така наречените синтетични събития – изкуствено добавени сигнали, които наподобяват реални взаимодействия с тъмната материя и се премахват след анализа. Така изследователите не знаят предварително кои наблюдения са реални и кои са тестови.

Възможната детекция поставя учените в сложна ситуация – между вълнението, че експериментът може да работи по начина, по който е замислен, и риска изследователите да бъдат подведени от рядко, необичайно или случайно събитие в детектора.

Във физиката вече са известни множество експерименти, при които едно или две необясними събития впоследствие не водят до потвърдено откритие. Ако новите данни на LZ покажат допълнителни подобни сигнали, резултатите ще могат да бъдат проверени и от други експерименти, сред които XENONnT в Италия и PandaX-4T в Китай.

Почти невидима галактика може да разкрие тайните на тъмната материя

Необичайна особеност на сигнала е неговата енергия.

Събитието е регистрирано при значително по-висока енергия, отколкото повечето модели за WIMP частици предвиждат. Това оставя две основни възможности: или сигналът в крайна сметка ще се окаже статистическа случайност, или тъмната материя може да е по-странна и по-необичайна, отколкото учените са предполагали досега.

Ако сигналът действително е свързан с тъмна материя, липсата на съпътстващи взаимодействия при по-ниски енергии може да даде важна информация за природата на тези частици и начина, по който те взаимодействат с обикновената материя.

Потвърждаването на тъмната материя би приближило физиците до по-дълбоко разбиране на състава и развитието на Вселената след Големия взрив. Въпреки това ще са необходими допълнителни експерименти за определяне на свойствата, възможните взаимодействия и ролята на тъмната материя в еволюцията на космоса. Възможно е тя да не представлява един-единствен вид, а да включва няколко различни компонента.

Ако необичайният сигнал от LZ наистина се окаже следа от тъмна материя, той може да се превърне в ключ към нов етап във физиката и към по-добро разбиране на една от най-големите загадки на съвременната наука.