Najbardziej poszukiwana substancja we Wszechświecie. "Zarejestrowaliśmy zdarzenie"

Polowanie fizyków na cząstki ciemnej materii trwa od dekad, ale właśnie mogliśmy zbliżyć się do rozwiązanie tej tajemnicy. Eksperyment LUX-ZEPLIN zarejestrował pojedyncze zdarzenie, którego właściwości pasują do tego, czego naukowcy spodziewaliby się po hipotetycznej cząstce WIMP. To może być wskazówka dotycząca natury ciemnej materii, ale na ogłoszenie odkrycia jest zdecydowanie za wcześnie.

Poszukiwania prowadzone są w Sanford Underground Research Facility w Dakocie Południowej. Laboratorium znajduje się około 1,5 km pod powierzchnią, w dawnej kopalni złota. Im głębiej znajduje się detektor, tym lepiej można odizolować go od promieniowania kosmicznego i innych zjawisk, które mogłyby naśladować niezwykle słaby sygnał poszukiwany przez fizyków.

Właśnie tam działa LUX-ZEPLIN, znany także jako LZ. To jeden z najbardziej czułych eksperymentów na świecie zaprojektowanych do bezpośredniego poszukiwania ciemnej materii.

Sercem urządzenia jest ogromny zbiornik zawierający około 10 t ciekłego ksenonu. Naukowcy zakładają, że jeśli cząstki ciemnej materii rzeczywiście przemierzają przestrzeń wokół nas, to od czasu do czasu jedna z nich może zderzyć się z jądrem atomu ksenonu.

Takie zdarzenie powinno pozostawić bardzo charakterystyczny ślad. Zderzenie przekazuje atomowi niewielką ilość energii, powodując jego odrzut. Jednocześnie w detektorze pojawia się niezwykle słaby błysk światła ultrafioletowego. Analiza właściwości tego sygnału pozwala określić, co mogło doprowadzić do zarejestrowanego zdarzenia.

Naukowcy poinformowali o pojedynczym zdarzeniu, które wyglądało właśnie tak, jak mogłaby wyglądać interakcja hipotetycznej cząstki ciemnej materii z atomem ksenonu.

Jednym z głównych kandydatów do roli ciemnej materii są WIMP-y (ang. Weakly Interacting Massive Particles, słabo oddziałujące masywne cząstki), czyli hipotetyczne masywne cząstki słabo oddziałujące z normalną materią. Według jednego ze scenariuszy takie cząstki powstały we wczesnym Wszechświecie i przetrwały do dziś.

Jeżeli zarejestrowany sygnał rzeczywiście pochodziłby od WIMP-a, oznaczałoby to, że detektor uchwycił moment, w którym taka cząstka zderzyła się z jądrem atomu ksenonu. Energia przekazana podczas kolizji była bardzo mała, ale wystarczyła do wywołania mierzalnego sygnału.

Problem polega na tym, że fizyka eksperymentalna nie pozwala uznać pojedynczego zdarzenia za dowód odkrycia nowej cząstki.

Z drugiej strony, wyniki eksperymentu były zgodne z przewidywaniami.

Skonstruowaliśmy nasz miernik tak, aby igła podskakiwała w momencie wystąpienia takiego zdarzenia. i wszystko działa zgodnie z oczekiwaniami - mówi serwisowi Scientific American Knut Morå, fizyk z Uniwersytetu w Zurychu.

Sam Eriksen z University of Bristol, główny autor pracy opisującej wynik, określił obserwację jako możliwą pierwszą wskazówkę dotyczącą bezpośredniego wykrycia ciemnej materii. Jednocześnie badacze bardzo wyraźnie podkreślają, że nie twierdzą, iż właśnie ją znaleźli.

Powód jest prosty. W eksperymentach tego rodzaju zawsze istnieje pewien poziom tła, czyli zdarzeń, które mogą przypominać poszukiwany sygnał, ale mają zupełnie inne pochodzenie. Zespół LZ musi więc sprawdzić, czy pojedyncza interakcja nie była efektem któregoś z takich procesów.

To tylko pojedyncze zdarzenie - podkreśla Eriksen, zaznaczając, że dlatego badacze nie przypisują go ciemnej materii.

To właśnie statystyka jest tutaj kluczowa. Gdyby detektor zarejestrował serię zdarzeń o właściwościach zgodnych z przewidywaniami dla WIMP-ów, a jednocześnie udałoby się wykluczyć znane źródła tła, sytuacja wyglądałaby zupełnie inaczej. Jeden przypadek jest natomiast interesującą obserwacją, którą trzeba bardzo dokładnie zweryfikować.

Ciemna materia jest jednym z największych problemów współczesnej fizyki. Nie możemy jej zobaczyć, ponieważ nie emituje ani nie odbija światła w sposób, który pozwalałby wykryć ją za pomocą tradycyjnych teleskopów.

Nie oznacza to jednak, że naukowcy wymyślili ją bez żadnych dowodów. O jej istnieniu świadczą przede wszystkim efekty grawitacyjne obserwowane w skali galaktyk i całych gromad galaktyk.

Gwiazdy znajdujące się na obrzeżach galaktyk poruszają się tak, jakby znajdowało się tam znacznie więcej masy, niż wynikałoby to z obserwowanej materii. Podobne problemy pojawiają się przy analizowaniu ruchu całych gromad galaktyk oraz sposobu, w jaki w wielkich strukturach kosmicznych zachowuje się światło.

Z tych obserwacji wynika obraz Wszechświata, w którym materia, którą znamy – gwiazdy, planety, gaz czy ludzie – stanowi jedynie niewielką część całej materii. Większość ma mieć postać ciemnej materii, której natura pozostaje nieznana.

Jedną z trudności w jej wykryciu jest właśnie słabe oddziaływanie z normalną materią. Cząstki ciemnej materii mogą nieustannie przechodzić przez Ziemię, a nawet przez nasze ciała, praktycznie bez żadnych konsekwencji.

Alvine Kamaha z UCLA, współautorka badania, zwraca uwagę, że przez nasze ciała może przechodzić ogromna liczba takich cząstek, a niemal żadna z nich nie zderzy się z atomem w sposób, który można byłoby zarejestrować.

Dlatego detektory takie jak LZ buduje się pod ziemią i wykorzystuje ogromne ilości materiału. Nie chodzi o to, aby złapać ciemną materię w tradycyjnym znaczeniu. Chodzi o stworzenie możliwie dużej liczby potencjalnych celów i cierpliwe oczekiwanie na niezwykle rzadkie zderzenie.

W przypadku LZ takim celem są atomy ciekłego ksenonu. Jeżeli dojdzie do kolizji, urządzenie rejestruje światło i inne charakterystyczne sygnały powstałe w wyniku interakcji. Z ich kombinacji naukowcy próbują odtworzyć przebieg zdarzenia.

Bezpośrednie detektory znajdujące się głęboko pod ziemią są tylko jedną z metod poszukiwania ciemnej materii. Fizycy próbują także znaleźć jej ślady w obserwacjach astronomicznych oraz sprawdzić, czy odpowiednie cząstki można wytworzyć podczas zderzeń w akceleratorach.

Każda z tych metod odpowiada na nieco inne pytanie. Obserwacje kosmologiczne pokazują, że we Wszechświecie znajduje się niewidoczna masa wpływająca na zachowanie galaktyk i większych struktur. Akceleratory próbują sprawdzić, czy można stworzyć nieznane cząstki w kontrolowanych warunkach. Eksperymenty takie jak LZ szukają natomiast bezpośredniej interakcji hipotetycznej cząstki z normalną materią.

Jeżeli wynik z Dakoty Południowej okaże się rzeczywiście związany z ciemną materią, konsekwencje będą znacznie większe niż samo potwierdzenie istnienia kolejnej cząstki. Pozwoliłoby to zacząć odpowiadać na pytanie, z czego właściwie zbudowana jest ciemna materia i jakie właściwości ma substancja, która przez miliardy lat wpływała grawitacyjnie na ewolucję Wszechświata.

Na razie jednak pozostaje ostrożność. Jeden nietypowy sygnał to za mało, aby napisać nowy rozdział w podręcznikach fizyki. Może być jednak powodem, dla którego naukowcy jeszcze uważniej przyjrzą się kolejnym danym z LUX-ZEPLIN.