Ciemna materia nie ma już gdzie się ukryć. Nieuchwytna teoria potwierdzona
Zbudowali detektor, który widzi ślad jednego atomu i jednego elektronu. Efekt Migdala przestaje być tylko teorią, a staje się przydatnym w nauce narzędziem.
Prawie 90 lat temu Arkadij Migdal opisał zjawisko tak subtelne, że przez kolejne dekady pozostawało jedynie konstrukcją teoretyczną. Teraz chiński zespół fizyków po raz pierwszy wprost zarejestrował efekt Migdala – jednoczesny odskok jądra atomowego i wyrwanie z niego elektronu. Ten niepozorny mechanizm może okazać się brakującym elementem w poszukiwaniu ciemnej materii, niewidzialnej substancji, która dominuje we Wszechświecie, a wciąż wymyka się detekcji.
Teoria sprzed wojny, która wreszcie dostała dowód
Efekt Migdala narodził się w 1939 r., gdy radziecki fizyk Arkadij Migdal zastanawiał się, co dzieje się z atomem w chwili bardzo gwałtownego zderzenia. Jeśli w atom trafi obojętna cząstka – neutron albo hipotetyczna cząstka ciemnej materii – jądro może nagle dostać impuls i zacząć się cofać.
Według obliczeń Migdala tak gwałtowna zmiana położenia jądra zaburza wewnętrzne pole elektryczne na tyle, że jeden z elektronów nie nadąża za tą zmianą i zostaje wyrzucony z atomu. Powstają wówczas dwa ślady: ciężkie, powolne jądro i lekki, szybki elektron, startujące z tego samego punktu w przestrzeni.
Przez kolejne dziesięciolecia fizycy bardzo często wykorzystywali ten efekt w modelach, ale nie potrafili go wyizolować w eksperymencie. Cały problem polegał na skali. Sygnał jest niezwykle słaby i łatwo ginie w tle naturalnego promieniowania oraz innych procesów zachodzących w detektorach.
Co tak naprawdę się dzieje w atomie?
W najprostszym wyobrażeniu atom to ciężkie jądro otoczone chmurą elektronów. Te zajmują ściśle określone stany energetyczne, a cały układ jest stabilny, dopóki nic go nie zaburza.
Kiedy jednak w jądro uderza cząstka, jądro dostaje impuls i porusza się w przeciwną stronę. Klasyczny opis mówiłby, że cała energia idzie na drgania sieci krystalicznej, czyli ruch atomów w materiale. Detektory rejestrują wtedy mikroskopijne drgania, błyski światła lub bardzo delikatne impulsy elektryczne.
Migdal dorzucił do tego jeszcze jeden składnik. Zauważył, że jeśli impuls jest wystarczająco gwałtowny, to elektrony przez krótką chwilę widzą jądro w innym miejscu, niż powinno być. Ten chwilowy chaos może zakończyć się wyrwaniem elektronu i jego ucieczką z atomu.
Z punktu widzenia eksperymentatora to ogromna różnica. Rejestrowanie samego odskoku jądra jest bardzo trudne przy niskich energiach, a właśnie na takie energie liczymy w przypadku lekkiej ciemnej materii. Dodatkowy elektron daje jednak wyraźny, czysty ślad, który łatwiej uchwycić. Efekt Migdala zamienia więc niemal niewidoczne szturchnięcie jądra w klarowny sygnał elektroniczny.
Kamera atomowa i sześć zdarzeń, które przeważyły szalę
Aby ten delikatny efekt odróżnić od szumu, chińscy badacze zaprojektowali bardzo specyficzny detektor gazowy. Można go porównać do mikroskopijnej kamery, która nie fotografuje światła, lecz ślady jonizacji w gazie.
W komorze znajduje się cienka warstwa gazu, przez którą przelatują neutrony. Od czasu do czasu któryś z nich zderza się z atomem gazu, przekazując jądru niewielką porcję energii. Jeśli w takiej sytuacji zadziała efekt Migdala, z tego samego punktu powinny wystartować dwa ślady: krótka, grubsza ścieżka jądra i smuklejsza, dłuższa ścieżka elektronu.
Sercem układu jest specjalnie zaprojektowany procesor, który odczytuje sygnały z tysięcy maleńkich pikseli detektora. Na tej podstawie system rekonstruuje geometrię zdarzeń, czyli dosłownie rysuje mapę tego, co działo się w gazie, z rozdzielczością pozwalającą śledzić pojedyncze cząstki.
Naukowcy zarejestrowali ponad 800 tys. zdarzeń. Z tak ogromnego zbioru wyłuskali zaledwie 6 sygnałów, które spełniały bardzo rygorystyczne kryteria: dwa rozróżnialne tory cząstek, ten sam punkt startu, właściwy rozkład energii i kątów.
Chociaż statystyka na pierwszy rzut oka wygląda bardzo skromnie, to kluczowa jest tu tyle nie liczba zdarzeń, a ich jakość i odpowiednie dopasowanie do modelu. Analiza pokazała, że prawdopodobieństwo przypadkowego wygenerowania takich sygnałów przez tło jest mniejsze niż jedna szansa na kilka milionów.
Nowe narzędzie w polowaniu na lekką ciemną materię
Najważniejsze konsekwencje tego wyniku nie dotyczą jednak samego atomu, lecz niewidzialnej materii między gwiazdami. Przez lata większość eksperymentów szukała ciężkich cząstek ciemnej materii, czyli tzw. WIMP-ów. Gdyby istniały, to ich zderzenia z jądrami atomów powinny zostawiać wyraźne ślady, możliwe do wychwycenia przez wielkie detektory ukryte głęboko pod ziemią.
Kolejne kampanie pomiarowe kończyły się jednak brakiem sygnału. Coraz więcej zespołów przenosi więc uwagę na lżejsze kandydatki na ciemną materię. Problem w tym, że im lżejsza cząstka, tym słabszy impuls przekazuje jądru. Dla klasycznych detektorów taki kopniak staje się praktycznie niewidoczny.
Efekt Migdala pozwala obejść ten limit. Jeśli nawet bardzo delikatne zderzenie spowoduje wyrwanie elektronu, to detektor może przechwycić niemal całą energię tego elektronu jako czytelny sygnał. Nagle pojawia się nowy kanał, dzięki któremu lekkie cząstki ciemnej materii nie są już z góry skazane na pozostanie poniżej progu czułości.
Od egzotycznej ciekawostki do codziennego narzędzia
Autorzy pracy zapowiadają, że tak naprawdę jest to dopiero pierwszy etap. Kolejne eksperymenty mają sprawdzić efekt Migdala w innych gazach i materiałach, przy różnych energiach zderzeń. Chodzi o zbudowanie mapy, która opisywałaby, w jakich warunkach elektron jest wyrzucany najczęściej, jaką energię typowo niesie i jak silnie zależy to od składu chemicznego detektora.
Takie dane są niezwykle ważne szczególnie dla projektantów przyszłych układów do poszukiwania ciemnej materii. Pozwolą dobrać materiał aktywny, geometrię detektora i sposób analizy danych tak, by maksymalnie wykorzystać dodatkowy sygnał migdalowski. Im precyzyjniej znamy to zjawisko, tym lepiej potrafimy odróżnić prawdziwy sygnał od fałszywych alarmów.
Przeczytaj także:
Bezpośrednia obserwacja efektu Migdala zamyka pewien długi rozdział w fizyce. Teoria z końca lat 30. wreszcie dostała mocne potwierdzenie w laboratorium. Dużo ważniejsze jest jednak to, co otwiera. Dla społeczności zajmującej się ciemną materią to nowy sposób słuchania bardzo cichych sygnałów, które do tej pory ginęły w szumie. Czy dzięki niemu w końcu zobaczymy pierwszą cząstkę ciemnej materii? Na ten moment to pytanie trzeba pozostawić otwartym, ale już dziś wiadomo, że jedno z najciekawszych narzędzi do jej poszukiwania przeszło najtrudniejszy test.
