Pazemes detektorā fiksēts signāls, kas varētu būt līdz šim spēcīgākā tumšās matērijas pazīme

2023. gada 16. jūnijā LUX-ZEPLIN jeb LZ pazemes detektors fiksēja divus vājus gaismas uzplaiksnījumus, kuru īpašības pārsteidzoši labi sakrīt ar signālu, kādu varētu radīt tumšās matērijas daļiņa. Ja turpmākie novērojumi apstiprinās šo skaidrojumu, tas varētu būt izšķirošs solis vienas no mūsdienu fizikas lielākajām mīklām risināšanā.

Tumšo matēriju tieši novērot līdz šim nav izdevies. Astronomi un fiziķi par tās iespējamo esamību spriež pēc gravitācijas ietekmes uz zvaigznēm, galaktikām un citiem kosmiskiem objektiem. Aprēķini liecina, ka tās Visumā varētu būt apmēram piecas reizes vairāk nekā parastās vielas, no kuras sastāv planētas, zvaigznes un cilvēki. Taču tumšā matērija neizstaro un neatstaro gaismu, turklāt ar parasto vielu, šķiet, mijiedarbojas ārkārtīgi reti.

Detektors dziļi zem klints slāņa

LZ eksperiments ir veidots tieši tādu hipotētisku daļiņu meklēšanai, ko dēvē par vāji mijiedarbīgām masīvām daļiņām jeb WIMP. Šīs daļiņas, ja tās eksistē, lielākoties varētu izlidot cauri parastajai vielai, neatstājot nekādas pēdas. Ļoti retos gadījumos WIMP varētu sadurties ar atomu kodolu un radīt nelielu gaismas un elektronu signālu.

Šim nolūkam detektorā izmantota liela šķidrā ksenona tvertne, virs kuras atrodas gāzveida ksenona slānis. Sadursme ar atomu radītu pirmo gaismas uzplaiksnījumu, ko uztvertu tvertnes fotodetektori. Notikuma radītie elektroni pēc tam tiek virzīti uz augšu, kur gāzveida ksenonā rada otru uzplaiksnījumu. Abu signālu laiks un intensitāte ļauj noteikt iespējamo mijiedarbības veidu.

Eksperiments atrodas 1,5 kilometru dziļumā zem klints slāņa, kas aiztur lielu daļu kosmisko staru un citu nevēlamu daļiņu. Ksenona tvertni ieskauj ūdens slānis, bet papildu ārējie detektori palīdz atpazīt radiācijas radītus fonā notiekošus procesus. Šāda daudzpakāpju aizsardzība ir nepieciešama, jo daudzi parasti fizikāli procesi spēj radīt tumšās matērijas meklētajam signālam līdzīgas pēdas.

Zināmie skaidrojumi pagaidām neiederas

Pētnieki pēc neparastā notikuma atklāšanas vairākus mēnešus pārbaudīja, vai to nevarētu izskaidrot ar kādu zināmu fona procesu. Reģistrētā enerģija izrādījās pārāk augsta, lai visticamākais avots būtu neitroni vai neitrīno. Turklāt šādā gadījumā datos būtu bijuši gaidāmi arī zemākas enerģijas izkliedes notikumi, taču tie netika konstatēti.

Arī gamma starojuma versija prasītu ļoti maz ticamu notikumu ķēdi: daļiņai būtu neparasti tālu jāizceļo cauri tvertnei, jāizkliedējas vēlreiz tā, lai nerastos papildu uztverams uzplaiksnījums, vai arī jāizvairās no ārējiem detektoriem. Zinātnieki izvērtēja arī iespēju, ka abi uzplaiksnījumi bijuši divi savstarpēji nesaistīti notikumi, kuri nejauši sakrituši laikā, tomēr arī šāds scenārijs atzīts par maz ticamu.

Pašlaik vislabāk ar novērojumu sader skaidrojums, ka signālu radījusi WIMP daļiņa, kuras masa pārsniedz 200 gigaelektronvoltus. LZ pārstāvji tomēr nesteidzas šo gadījumu saukt par tumšās matērijas atklāšanu. Neparasti dati eksperimentos nav retums, un pētnieki turpina meklēt iespējamu retu fona mehānismu, kas līdz šim varētu būt palicis nepamanīts.

Līdz atklājumam vajadzīga daudz lielāka pārliecība

Daļiņu fizikā jauna atklājuma paziņošanai parasti nepieciešama piecu sigmu statistiskā ticamība. Tas nozīmē, ka varbūtība, ka rezultātu nejauši radījis fons, būtu aptuveni viena pret 3,5 miljoniem. LZ fiksētā signāla statistiskā nozīmība pašlaik ir 2,6 sigmas jeb aptuveni viena kļūdas iespēja pret 200.

Tādēļ izšķiroši būs nākamie mērījumi: nepieciešams vairāk datu un citi līdzīgi notikumi. Tikai atkārtojamība ļaus pārliecinoši nošķirt iespējamu tumšās matērijas signālu no ārkārtīgi reta, bet tomēr parasta fizikas procesa. Pētījums iesniegts žurnālam Physical Review Letters, bet pagaidām vēl nav izgājis recenzēšanas procedūru.

Tomēr pats signāls jau ir ievērības cienīgs. Tas parādījies tieši enerģiju apgabalā, kur LZ paredzēja iespēju saskatīt tumšās matērijas pēdas, un konkurējošo fona procesu daudzums tur ir ļoti mazs. Pat ja šis viens notikums vēl neļauj pasludināt atklājumu, tas var kļūt par pirmo norādi ceļā uz tumšās matērijas dabas izpratni.