Китайские учёные зафиксировали аномальный гамма-сигнал, указывающий на возможную аннигиляцию тёмной материи

Китайские астрофизики из Академии наук КНР проанализировали 15,5 лет архивных наблюдений космического гамма-телескопа Fermi-LAT и обнаружили необычно узкую линию излучения с энергией около 43,2 ГэВ. Сигнал зафиксирован в направлении трёх массивных скоплений галактик — Девы, Печи и Змееносца — и может соответствовать теоретическим предсказаниям об аннигиляции вимпов (WIMP), одних из главных кандидатов на роль частиц тёмной материи. Статистическая значимость результата составляет 4,3σ для трёх скоплений и 3,7σ для всей выборки, что всё ещё ниже порога в 5σ, необходимого для официального заявления об открытии.

Поиск гамма-линий в данных Fermi

Исследователи изучали так называемые гамма-линии — спектральные особенности в виде резких всплесков, которые являются важными маркерами при поиске тёмной материи в виде слабо взаимодействующих массивных частиц. Согласно популярной гипотезе, вимпы могут сталкиваться и аннигилировать, превращаясь в другие частицы, в том числе в гамма-кванты с характерной энергией. В отличие от широкого спектра обычных астрофизических источников, такой резкий всплеск на графике стал бы своеобразным «отпечатком пальца» явления аннигиляции.

Для анализа были выбраны 13 близлежащих скоплений галактик. Наиболее сильный сигнал обнаружился именно в направлениях скоплений Девы, Печи и Змееносца. Учёные учли все известные инструментальные эффекты и отсекли возможные ошибки приборов, однако подчёркивают: речь идёт не об открытии тёмной материи, а о необычном наблюдаемом сигнале, который трудно объяснить в рамках принятых астрофизических теорий и который требует независимой проверки.

Статистическая значимость и альтернативные объяснения

Полученные значения значимости — 4,3σ для трёх скоплений и 3,7σ для всей выборки — впечатляют, но не достигают «золотого стандарта» физики элементарных частиц в 5σ. Авторы работы допускают, что для объяснения сигнала может потребоваться более сложная модель тёмной материи, либо же речь идёт о крайне необычном астрофизическом источнике, не укладывающемся в текущие представления. Научное сообщество относится к подобным анонсам с осторожностью, требуя независимой верификации данных другими обсерваториями и исключения всех возможных астрофизических «помех» — например, сигналов от пульсаров или активных галактических ядер.

Параллельный прорыв в поисках аксионной тёмной материи

Отдельной важной вехой стала работа другой группы китайских физиков из Университета науки и технологий Китая (УНТК) под руководством Цзянь Мина и Пэна Синьхуа. Их результаты, опубликованные в Nature, касаются альтернативного кандидата — сверхлёгких аксионов и аксионоподобных частиц. Учёные построили распределённую сеть из пяти квантовых датчиков на основе гиперполяризованных ядер ксенона-129: четыре установки работали в лаборатории в Хэфэе, пятая — в Ханчжоу на расстоянии около 320 километров.

Сеть функционировала с 20 июля по 31 августа 2022 года, собрав 739 часов эффективных данных. Датчики искали транзиентные сигналы от пересечения Землёй топологических дефектов — доменных стенок аксионного поля, которые должны поворачивать ядерные спины на микрорадианы. Чувствительность была усилена в 150 раз за счёт спинового усиления, а шум подавлен в 20 раз оптимальной фильтрацией. Статистически значимых событий не обнаружено, что позволило поставить наилучшие на сегодняшний день лабораторные ограничения на связь аксиона с нуклонами в диапазоне масс от 10 пикоэлектронвольт до 0,2 микроэлектронвольт.

Два подхода — одна цель

Эти два независимых исследования демонстрируют масштаб китайских усилий в поиске тёмной материи. Первый подход — космический, косвенный — ищет следы аннигиляции тяжёлых вимпов в гамма-излучении скоплений галактик. Второй — лабораторный, прямой — пытается зафиксировать влияние сверхлёгких аксионных полей на квантовые спины. Оба направления дополняют друг друга, сужая пространство параметров для возможных моделей тёмной материи. Ранее китайским ученым также удалось зафиксировать эффект Мигдала — редкое квантовое явление, открывающее путь к детектированию более лёгких кандидатов в тёмную материю.