Dodano: 18 czerwiec 2020r.

W eksperymencie z detektorem ciemnej materii zarejestrowano nietypowe sygnały

Fizycy z projektu XENON1T poszukujący śladów ciemnej materii poinformowali o wykryciu nietypowych sygnałów, które mogą być oznaką aksjonów, hipotetycznych cząstek subatomowych spoza Modelu Standardowego.

eksperyment XENON1T

 

Historia poszukiwań ciemnej materii jest pełna opowieści o obserwacjach, które przyciągnęły uwagę, a następnie zniknęły wraz z pojawieniem się większej ilości danych. Być może z nowymi doniesieniami z projektu XENON będzie podobnie. Naukowcy zarejestrowali nieoczekiwanie dużą aktywność w swoim detektorze. - Obserwujemy nadmiar i nie wiemy, co to jest - powiedział fizyk Evan Shockley z University of Chicago.

Analizy badaczy zostały opublikowane w bazie pre-printów arXiv.org.

Projekt XENON

Głęboko pod powierzchnią, około 1400 metrów pod masywem Gran Sasoo we włoskich Apeninach, znajduje się podziemne laboratorium LNGS (Laboratori Nazionali del Gran Sasso), w którym naukowcy poszukują cząstek ciemnej materii. W projekt zaangażowanych jest ponad 160 naukowców z całego świata.

Obecnie głównym instrumentem naukowym jest detektor XENON1T, którego centralna część składa się z cylindrycznego zbiornika o długości około jednego metra wypełnionego 3200 kilogramami ciekłego ksenonu schłodzonego do temperatury minus 95 stopni Celsjusza.

Ten szlachetny gaz jest jedną z najczystszych, najbardziej odpornych na promieniowanie substancji na Ziemi, co czyni go idealnym celem do wychwytywania najrzadszych interakcji cząstek we Wszechświecie. Detektor został umiejscowiony głęboko pod ziemią, by promieniowanie kosmiczne nie generowało fałszywych sygnałów.

Założenie eksperymenty jest takie: gdy cząstki ciemnej materii wpadną do detektora, zderzą się z atomami ksenonu, a energia tego zderzenia trafi do jądra, które z kolei wzbudzi jądra innych atomów, co spowoduje emisję w zakresie ultrafioletu. Emisję tę mają wykryć ultraczułe czujniki detektora.

Obecny detektor XENON1T to następca poprzednich detektorów XENON10 oraz XENON100. Od 2006 roku uczeniu budują pod masywem Gran Sasso coraz większe detektory, z nadzieją, że znajdą w końcu cząstkę ciemnej materii. Obecnie trwają pracę nad kolejnym, większym instrumentem o nazwie XENONnT.

Uczeni z projektu XENON czają się na cząstki ciemnej materii, które nazwali WIMP (weakly interacting massive particles), jak dotąd bez powodzenia.

Aksjony

Aksjony to hipotetyczne cząstki subatomowe spoza Modelu Standardowego, które są kandydatem na cząstki tworzące ciemną materię. Zgodnie z przewidywaniami, nie mają one ładunku elektrycznego ani spinu. Nazwę nadał im amerykański fizyk polsko-włoskiego pochodzenia – Frank Wilczek, a sama nazwa pochodzi o marki pewnego proszku do prania.

Ciemna materia to także hipotetyczna materia, która według założeń nie emituje i nie odbija promieniowania świetlnego, dlatego bardzo trudną ją wykryć. Ale jej istnienie zdradzają wywierane przez nią efekty grawitacyjne, przynajmniej w ten sposób naukowcy tłumaczą anomalie w rotacji galaktyk i ruchu galaktyk w gromadach.

Mimo lat poszukiwań jej istnienie nie zostało potwierdzone. Naukowcy wciąż starają się dociec, jaka jest dokładna natura ciemnej materii i co ją tworzy. Według naukowców, ciemna materia stanowi około 85 proc. masy Wszechświata.

Nietypowe sygnały

Detektor XENON1T, poza wspomnianymi wcześniej błyskami światła w ultrafiolecie, może spróbować zarejestrować zderzenia cząstek ciemnej materii z elektronem w atomach ksenonu. Dotychczas tego typu zdarzenia, choć rejestrowane, były traktowane jako szum pochodzący z innych źródeł i odfiltrowywane z danych.

W nowych analizach badacze skupili się właśnie na tym szumie tła. Do zeszłego roku zarejestrowano 285 takich zdarzeń, a naukowcy spodziewali się 232. Nadmiar 53 zdarzeń stanowi odchylenie od oczekiwanego poziomu szumu tła, ale nie wystarcza do odtrąbienia odkrycia. Choć zmusza do zweryfikowania analiz i zastanowienia się, czy czasami nie zarejestrowano sygnału z nieznanego źródła.

Cokolwiek zarejestrował detektor, cząstki były zbyt lekkie, aby mogły być standardowymi WIMP. Po szczegółowej analizie danych uczeni zasugerowali, że mogą to być inne hipotetyczne cząstki – aksjony.

Możliwe wyjaśnienia

Istnieją trzy potencjalne wyjaśnienia zarejestrowanych sygnałów w eksperymencie Xenon1T. Pierwsze wskazane przez naukowców mówi o tym, że dziwne zdarzenia mogą być zwykłymi zanieczyszczeniami, które wykrył czuły detektor, szumem powstałym z jakichś bardziej przyziemnych źródeł, chociażby z zanieczyszczenia zbiornika z ksenonem trytem. Tryt, radioaktywny izotop wodoru, rozpada się wypluwając elektron, który mógł sfałszować pomiar. Mógł to też być zwykły błąd w pomiarach.

Druga możliwość zaproponowana przez badaczy wskazuje na neutrina pochodzące ze Słońca, ale z silnym momentem magnetycznym. To pozwalałoby im bardziej rozpraszać elektrony i mogłoby tłumaczyć zarejestrowany nadmiar sygnałów. Jednak wyjaśnienie to wskazywałoby na nieznane dotąd właściwości neutrin.

Trzecia koncepcja zakłada, że detektor faktycznie wykrył aksjony. Byłaby to spora sensacja w świecie fizyki. Uczeni wskazują, że aksjony te musiałby powstać wewnątrz Słońca. Ale jeśli te cząstki faktycznie istnieją, generowane są również we wnętrzach innych gwiazd, zabierając ze sobą energię i powodując, że gwiazdy stygną szybciej niż sugerują to obserwacje.

Odpowiedzi mogą nadejść wkrótce. Detektor XENONnT ma ruszyć w nadchodzących miesiącach. Większy detektor być może pozwoli na znalezienie wyjaśnienia.

 

Źródło: Science, fot. Xenon Collaboration