В детекторе LUX-ZEPLIN (LZ) зарегистрировали один необычный кандидат на ядерную отдачу с энергией 248 кэВ. За ним не последовала ожидаемая группа более слабых событий. Для физика это важная деталь: большинство простых моделей тёмной материи должно давать спектр, начинающийся с малых энергий. Здесь же первая заметная точка оказалась высоко.

Поэтому после сообщения LZ несколько групп проверили гипотезу о неупругой тёмной материи. В такой модели частица при столкновении с ядром должна перейти в немного более тяжёлое состояние. Если энергии не хватает, столкновение с переходом не происходит. Спектр отдач как будто отсекается снизу, и событие при 248 кэВ перестаёт выглядеть совсем неожиданным.

Один из кандидатов на роль такой частицы, хиггсино, особенно интересен физикам частиц. Это гипотетический суперпартнёр бозона Хиггса. Но цепочка проверок быстро усложнилась: объяснение события пришлось сопоставить не только с данными LZ, но и с поиском солнечных нейтрино в IceCube, а также с более высокоэнергичной областью самого LZ.

Почему хиггсино подходит для такой кинематики

Почти чистое хиггсино естественным образом образует два близких по массе нейтральных майорановских состояния. Их связывает внедиагональное взаимодействие с Z-бозоном. При столкновении частица может перейти из лёгкого состояния в тяжёлое, но для этого требуется энергия, равная расщеплению уровней.

Эта особенность объясняет, почему низкоэнергичные отдачи могут быть подавлены. Однако она не доказывает, что событие оставило именно хиггсино. Она лишь задаёт механизм, который способен изменить форму спектра.

Кэтрин Фриз и Дионисий Теодосопулос сравнили предсказанное сечение неупругого рассеяния хиггсино с опубликованным двусторонним 90%-ным интервалом LZ. В их препринте узкая область совместимости находится около массы 1 ТэВ и расщепления примерно 350 кэВ. Сечение здесь не подбирают независимо: его задаёт электрослабое взаимодействие модели.

Другая работа, написанная Николасом Роддом, Бенджамином Сафди, Трейси Слейтер и Вэйшань Линдой Сюй, получила для теплового хиггсино массой около 1,1 ТэВ диапазон расщеплений примерно 370–490 кэВ. Его ширина зависит от принятого распределения скоростей частиц тёмной материи в окрестности Солнечной системы.

Это результаты на совместимость, а не идентификация частицы. Расчёт показывает, что определённые параметры не противоречат событию LZ на уровне рассмотренных моделей. Он не показывает, что хиггсино существует или что именно оно вызвало отдачу.

Что проверяет IceCube

У гипотезы есть следствие, не связанное напрямую с ксеноновым детектором. Если хиггсино сталкиваются с веществом внутри Солнца, часть частиц может захватываться его гравитацией. В рассматриваемом сценарии захваченные частицы накапливаются и аннигилируют, образуя W- и Z-бозоны. Их распады могут давать высокоэнергичные нейтрино, которые выходят из Солнца.

IceCube на Южном полюсе ищет такие потоки. Максим Посеплов и Харикришнан Рамани рассчитали ожидаемый сигнал для хиггсино с космологически предпочтительной массой около 1,08 ТэВ, оставив расщепление свободным параметром. Сопоставление с отсутствием избытка солнечных нейтрино дало условие δ > 566 кэВ.

Авторы заключили, что это условие исключает объяснение события LZ через эндотермичное, то есть требующее дополнительной энергии, рассеяние хиггсино на ядрах ксенона. Полученное значение выше расщеплений, при которых ранние работы связывали хиггсино с отдачей 248 кэВ.

Тхонг Нгуен, Тим Линден и Дэн Хупер независимо рассмотрели более широкий класс неупругой тёмной материи. Их препринт также сообщает, что отсутствие избытка высокоэнергичных солнечных нейтрино сильно ограничивает такие модели.

Здесь есть важная оговорка. Ограничение IceCube зависит от того, как частицы захватываются и охлаждаются внутри Солнца. В более позднем анализе Фриз и Теодосопулос рассмотрели несколько вариантов охлаждения и показали, что результат чувствителен к этим предположениям. Поэтому число 566 кэВ нельзя читать как независимый от модели универсальный запрет.

Что может показать высокоэнергичный хвост LZ

Есть и внутренняя проверка по тем же данным LZ. Родд и соавторы изучили высокоэнергичный участок распределения вдоль оси S1c. По их расчёту, тепловое хиггсино, объясняющее событие при 248 кэВ, обычно должно давать дополнительные отдачи при ещё больших энергиях.

В соответствующем участке LZ таких событий не сообщал. Это создаёт напряжение: модель объясняет одну точку, но одновременно предсказывает продолжение спектра, которого в опубликованном описании не видно.

Однако такой результат пока нельзя назвать строгим экспериментальным исключением. Авторы подчёркивают, что эффективность регистрации, или acceptance, в этом энергетическом бине не опубликована. В беседе с Science News представитель LZ Рик Гайтскелл также сказал, что детектор не калибровали для этих энергий и коллаборация не делала там формальных заявлений ни об обнаружении, ни об отсутствии сигнала.

Разница между двумя формулировками принципиальна. Теоретики могут посчитать, сколько событий предсказывает модель. Но чтобы превратить отсутствие событий в предел, нужно знать чувствительность детектора в этой области. Пока эта часть проверки остаётся неполной.

Почему обсуждение хиггсино продолжается

В более позднем препринте Фриз и Теодосопулос провели анализ правдоподобия и построили 90%-ные области параметров, совместимые с событием LZ и нулевыми результатами IceCube. Они сравнили стандартную модель распределения тёмной материи в галактическом гало с вариантом, где Большое Магелланово Облако может усиливать высокоскоростной хвост.

Авторы также использовали несколько вариантов охлаждения частиц в Солнце и отдельно проверяли расчёты с ограничением по высокоэнергичному участку LZ и без него. В наиболее жёсткой из рассмотренных комбинаций тепловое хиггсино массой 1,1 ТэВ остаётся лишь на границе совместимости. Причём этот вывод получен без учёта ограничений, связанных с упругим охлаждением в Солнце и самим высокоэнергичным участком LZ.

Для более тяжёлых хиггсино допустимые области сохраняются. В зависимости от распределения скоростей, модели охлаждения и включения ограничения LZ речь идёт о массах примерно от 2 ТэВ до сотен ТэВ и выше, а о расщеплениях примерно от 350 до 525 кэВ.

Так возникает кажущееся противоречие между работами. Один расчёт говорит, что солнечные нейтрино исключают интересующий режим. Другой сохраняет области параметров. Но эти исследования не используют полностью одинаковые предположения о захвате и охлаждении частиц в Солнце. Кроме того, высокоэнергичный участок LZ пока не имеет опубликованной оценки эффективности регистрации. Различие результатов показывает не только свойства хиггсино, но и цену исходных допущений.

Разобраться в такой логике помогает отдельный разбор того, как выбирать и описывать методы исследования: один и тот же вопрос может проверяться разными методами, а их выводы зависят от условий применимости.

Какие варианты остаются за пределами простого сценария

Первый вариант, более тяжёлое хиггсино. Октябрьский анализ сохраняет для него области совместимости с LZ и IceCube при некоторых сочетаниях параметров. Но это уже не простой тепловой сценарий с массой около 1,1 ТэВ, который связывают с космологически предпочтительным количеством тёмной материи.

Второй вариант, нетермальное хиггсино массой около 500 ГэВ. Родд и соавторы указывают, что такая модель может избежать ограничения по высокоэнергичному участку LZ. При этом меняются предположения о происхождении нынешней плотности тёмной материи.

Третий вариант, другая неупругая частица с похожей кинематикой. Ей не обязательно подчиняться ограничениям суперсимметрии, а захват в Солнце не обязан приводить к заметному потоку высокоэнергичных нейтрино. Поэтому отсутствие сигнала IceCube проверяет такую модель не так, как хиггсино.

Все эти варианты пока теоретические. Ни один из них не подтверждён независимым событием, а само событие LZ не стало доказанным обнаружением тёмной материи.

Что можно заключить сейчас

Фраза «сигнал LZ нельзя объяснить одной частицей» слишком сильна. Исследования не доказали невозможность любой одночастичной модели. Более точная формулировка такова: простая тепловая интерпретация через хиггсино сталкивается сразу с двумя проблемами. Первая связана с отсутствием солнечных нейтрино в IceCube, вторая, пока менее окончательная, с ожидаемым высокоэнергичным хвостом в данных LZ.

При изменении массы, расщепления, распределения скоростей или модели солнечного охлаждения допустимые области не исчезают полностью. Но они становятся уже и сильнее зависят от предположений. Особенно осторожно нужно относиться к тесту высокоэнергичного хвоста, пока LZ не опубликует оценку чувствительности в этом режиме.

Все первичные работы, рассмотренные здесь, имеют статус препринтов arXiv, а не рецензированных статей. В доступном пакете были страницы препринтов и тексты аннотаций, но полные PDF не извлекались. Поэтому нельзя независимо проверить все детали фоновых моделей, статистических процедур, критериев отбора и расчёта чувствительности. Выводы выше ограничены тем, что авторы заявляют в аннотациях и библиографических материалах.

Следующие проверки должны прийти из новых данных LZ, отдельной калибровки высокоэнергичного режима и поиска похожих событий в других ксеноновых детекторах, включая XENONnT. Пока 248 кэВ остаются не ответом о природе тёмной материи, а необычной точкой, на которой несколько моделей проходят взаимно независимые и пока не завершённые проверки.

Источники

Концептуальная схема показывает, как гипотеза о хиггсино проверяется по кинематике события LZ, солнечным нейтрино IceCube и высокоэнергичной области данных LZ, после чего остаются зависящие от модели варианты хиггсино и другие неупругие частицы.

Фото: Ramaz Bluashvili / Pexels