Co, jeśli ciemna materia nie jest jedną cząstką? Ależ intrygująca hipoteza

Przez lata jednym z ulubionych kandydatów na ciemną materię był WIMP, czyli hipotetyczna masywna cząstka, która prawie nie oddziałuje ze zwykłą materią. Problem polega na tym, że kolejne coraz czulsze eksperymenty wciąż jej nie znalazły. Fizycy coraz chętniej pytają więc, czy od początku nie szukaliśmy czegoś zbyt prostego.

A co, jeśli pojedynczy obiekt ciemnej materii sam składa się z ogromnej liczby mniejszych składników? Coś na kształt atomowego jądra, tylko zbudowanego z nieznanych ciemnych nukleonów. W takim scenariuszu ciemna materia miałaby własną fizykę jądrową, własne obiekty złożone i strukturę wewnętrzną, którą w odpowiednich warunkach można byłoby nawet eksperymentalnie wyczuć.

Właśnie tego po raz pierwszy poszukano w danych eksperymentu DarkSide-50. Wynik jest na razie negatywny, jednak sam sposób szukania otwiera zupełnie nowy fragment polowania na jedną z największych zagadek fizyki.

Określenie ciemna materia o strukturze jądrowej może być dla nas na pierwszy rzut oka mylące. Nie chodzi o radioaktywną materię ani zwykłe jądra atomowe ukryte gdzieś w kosmosie. W tym modelu istnieją hipotetyczne ciemne nukleony – odpowiedniki składników takich jak protony i neutrony – które we wczesnym Wszechświecie mogły łączyć się ze sobą w znacznie większe obiekty. Jeżeli w ciemnym sektorze nie istnieje odpowiednik długozasięgowego odpychania elektromagnetycznego, nic nie musi powstrzymywać takiej ciemnej nukleosyntezy stosunkowo wcześnie.

Niektóre modele pozwalają w ten sposób budować obiekty zawierające nawet 10 do potęgi 20 składników. Dla detektora robi to ogromną różnicę. Klasyczny WIMP traktowany jest praktycznie jak punkt. Przelatuje przez zbiornik i jeśli mamy ogromne szczęście uderza w pojedyncze jądro atomu, powodując jego odrzut. Duży obiekt złożony mógłby podczas jednego przelotu zderzyć się z wieloma jądrami.

DarkSide-50 stoi głęboko pod masywem Gran Sasso we Włoszech. Sercem urządzenia był cylinder wypełniony około 50 kg bardzo czystego ciekłego argonu. Jeżeli coś uderzy w jądro argonu, powstaje niewielki błysk światła oraz elektrony, które można później zebrać i zmierzyć. Właśnie takich delikatnych sygnałów eksperyment szukał w klasycznym polowaniu na ciemną materię.

Tym razem badacze wrócili do 532 dni danych zebranych przy wykorzystaniu niskoradioaktywnego argonu i szukali innego śladu. Hipotetyczne ultraciężkie ciemne jądro powinno przejść przez komorę w ciągu kilku mikrosekund i po drodze pozostawić wiele depozytów energii.

W analizowanym modelu obiekt poruszałby się przeciętnie z prędkością około 220 km/s. Liczy się jednak nie tylko jego całkowita masa, lecz także masa pojedynczych składników i rozmiar całej struktury. To szalenie istotne, bo kiedy cząstka przestaje być punktem i staje się rozciągniętym obiektem, zmienia się sposób, w jaki przekazuje energię jądrze argonu. DarkSide sprawdził warianty, w których pojedyncze ciemne nukleony miały masy 10, 50, 100 i 500 GeV/c².

W danych nie pojawił się sygnał, który można byłoby przekonująco przypisać takim obiektom. To nie oznacza, że złożona ciemna materia nie istnieje. Fizycy mogli natomiast wykluczyć sporą część kombinacji jej masy i siły oddziaływania ze zwykłą materią. Analiza sięgała całkowitych mas obiektów rzędu od około 10 mln do nawet 10 bilionów GeV/c², zależnie od przyjętych parametrów.

Granice poszukiwania są zresztą bardzo ciekawe. Jeśli ciemna materia oddziałuje zbyt mocno, może tracić energię już podczas przechodzenia przez skały nad laboratorium i nigdy nie dotrzeć do detektora. Jeśli oddziałuje zbyt słabo, po prostu przeleci przez argon bez zauważalnego śladu.

Fizycy muszą więc szukać w wąskim oknie pomiędzy niewidzialna a zatrzymana po drodze. Jeszcze na początku września opisywaliśmy pojedyncze interesujące zdarzenie znalezione przez detektor LUX-ZEPLIN. Tam badacze sprawdzają scenariusze bliższe klasycznym WIMP-om. DarkSide pokazuje, jak bardzo poszerzyło się dziś pole poszukiwań.

DarkSide-50 zakończył zbieranie danych kilka lat temu, ale jego następca jest już budowany. DarkSide-20k również powstaje w Gran Sasso i ma używać około tysiąc razy większej ilości ciekłego argonu niż poprzednik. Start pracy planowany jest na 2027 r.

Większy detektor oznacza większą szansę, że przelatujący przez Ziemię rzadki obiekt trafi akurat w materiał eksperymentu. W przypadku złożonej ciemnej materii dochodzi jeszcze możliwość szukania bardziej skomplikowanych wzorów oddziaływań, które zdradzałyby jej strukturę.

Przeczytaj także:

Jocelyn Monroe z Uniwersytetu Oksfordzkiego mówi nawet o przyszłej możliwości badania ciemnej chemii. To na razie bardzo odległa perspektywa, ale dobrze pokazuje zmianę sposobu myślenia. Przez dekady pytanie brzmiało przede wszystkim: jaka pojedyncza cząstka tworzy ciemną materię? Być może właściwe pytanie jest znacznie dziwniejsze: z czego zbudowana jest sama ciemna materia?

*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI