Z danych LUX-ZEPLIN wyłania się anomalny wstrząs o energii 248 keV: przeszedł testy szumu tła, ale wciąż nie jest to wynik wystarczający do dokonania odkrycia

Tylko jedno uderzenie, zarejestrowane w ciągu 220 dni obserwacji, miało miejsce w obszarze detektora, gdzie oczekiwany szum tła jest wyjątkowo niski. Zdarzenie to pozostawiło energię 248 kiloelektronowoltów i jest zgodny z odrzutem jądra atomu ksenonu. Mogło powstać w wyniku oddziaływania cząstki ciemnej materii, ale dostępne dane nie pozwalają nam jeszcze tego potwierdzić.

Sygnał pochodzi z LUX-ZEPLINlub LZ, jeden z najczulszych instrumentów zbudowanych w celu poszukiwania oddziaływań pomiędzy zwykłą materią a hipotetyczną Słabo oddziałujące cząstki masywne, słabo oddziałujące masywne cząstki znane jako WIMP-y. Detektor działa prawie milę pod powierzchnią, w Podziemny ośrodek badawczy w Sanford z Lead, Dakota Południowa.

La Współpraca LZ opublikowała wynik w formie preprintu, zatem przed recenzją ekspercką, po rozszerzeniu analizy na odrzuty jądrowe o wiele bardziej energetyczne niż w badaniach konwencjonalnych. Istotność statystyczna osiąga lokalne maksimum Sigma 3,4, ale to sprowadza się do 2,6 sigma w skali globalnej Biorąc pod uwagę liczbę przetestowanych modeli, to anomalia godna uwagi, a nie ogłoszenie pierwszej bezpośredniej obserwacji ciemnej materii.

Siedem ton ksenonu zamienia wstrząsy w światło

Dowody astronomiczne wskazują, że ciemna materia stanowi około 85 procent materii we wszechświecieJej obecność można wywnioskować z oddziaływania grawitacyjnego, jakie wywiera na galaktyki, gromady i światło przechodzące przez duże struktury kosmiczne. Ponieważ nie emituje ani nie pochłania promieniowania elektromagnetycznego w sposób obserwowalny, substancja ta pozostaje niewidoczna dla teleskopów, a jej mikroskopowy skład jest nieznany.

LZ próbuje wykonać pomiar bezpośredni. W centrum aparatu znajduje się komora projekcyjna czasu dwufazowego Zawiera około siedmiu aktywnych ton ciekłego ksenonu, co stanowi część całkowitego zapasu wynoszącego prawie dziesięć ton. Ksenon oferuje ciężkie jądra i niezwykle czyste medium, w którym można odtworzyć nawet minimalne magazyny energii.

Gdy cząstka wchodzi w interakcję z cieczą, wytwarza początkowy impuls scyntylacyjny, zwany S1i uwalnia elektrony. Pole elektryczne wypycha je w kierunku górnej części komory, gdzie są one wychwytywane przez warstwę gazu ksenonowego i generują drugi sygnał świetlny, S2Względne natężenie dwóch impulsów, odstęp czasu między nimi oraz rozkład światła pozwalają nam oszacować energię i trójwymiarową lokalizację oddziaływania.

Informacje te pomagają również rozróżnić dwie rodziny zjawisk. Cząstki gamma i beta mają tendencję do interakcji z elektronami ksenonu, wytwarzając elektroniczne odrzuty; neutrony lub możliwe WIMP-y mogą zamiast tego bezpośrednio uderzać w jądra, generując odrzuty nuklearneSeparacja statystyczna jest bardzo skuteczna, ale nie absolutna: rzadkie zdarzenia, przypadkowe zbiegi okoliczności i niestandardowe reakcje urządzeń mogą imitować pożądany sygnał.

Detektor znajduje się głęboko pod ziemią, aby ograniczyć strumień promieniowania kosmicznego i jest chroniony zbiornikiem z wodą oraz zewnętrznymi systemami umożliwiającymi identyfikację neutronów i innych cząstek. Poszukiwanie ciemnej materii zależy zatem nie tylko od masy celu, ale także od możliwości zidentyfikowania i odrzucenia niemal każdego możliwego źródła tła.

Okno energetyczne zwiększa się z 55 do około 270 keV

W analizie wykorzystano dane zebrane pomiędzy 27 marca 2023 r. i 1 kwietnia 2024 r., dla całkowitego narażenia 2,84 tony rocznieTę samą próbkę badano już w poszukiwaniu najprostszych oddziaływań WIMP, skoncentrowanych głównie przy niskich energiach. Nowa praca poszerzyła obszar odrzutów jądrowych z 5,4 do około 270 keV, w porównaniu z poprzednim limitem wynoszącym około 55 keV.

Wybór ten pozwala nam badać modele, w których oczekiwany rozkład energii nie maleje tak szybko, jak w tradycyjnej, niezależnej od spinu, sprężystej interakcji. Współpraca uwzględniała operatorów nierelatywistyczna teoria pola efektywnego, narzędzie matematyczne opisujące różne sposoby, w jakie WIMP może łączyć się z protonami i neutronami.

Przeanalizowano również scenariusze nieelastyczna ciemna materiaW takich modelach cząstka zmienia stan skupienia podczas zderzenia, a część energii jest wykorzystywana do wytworzenia nieco cięższej wersji samej siebie. Aby proces ten był możliwy, WIMP-y muszą być wystarczająco szybkie i masywne; powstające odrzuty mogą zatem zajmować obszary energii ignorowane przez standardowe analizy.

Zdarzenie anomalne zostało zrekonstruowane w 248 keV, z niepewnością statystyczną 23 keV i niepewnością systematyczną tej samej wielkości. Jego morfologia wydaje się zgodna z morfologią pojedynczego odrzutu jądrowego, a jego położenie mieści się w objętości wewnętrznej dobranej w celu ograniczenia skażenia ze ścian i innych komponentów.

Jeśli zderzenie było spowodowane ciemną materią, rozważane interpretacje wymagałyby na ogół ciężkiego WIMP-a o masie co najmniej 200 GeV/c², dwieście razy większy niż proton. Co więcej, nie byłoby to najczęściej poszukiwane oddziaływanie elementarne, a raczej sprzężenie zależne od pędu, spinu lub przejścia nieelastycznego. Sygnał zatem nie identyfikuje konkretnej cząstki: jest zgodny z kilkoma analizowanymi konstrukcjami teoretycznymi.

Od lokalnego maksimum do globalnej wartości około 2,6 sigma

W przypadku niektórych modeli niezgodność między obserwowanym zdarzeniem a hipotezą dotyczącą wyłącznie tła sięga lokalnie Sigma 3,4Rozpatrywana w oderwaniu od reszty, taka wartość odpowiada bardzo niskiemu prawdopodobieństwu uzyskania co najmniej równie ekstremalnego wyniku poprzez fluktuację. Eksperyment nie potwierdził jednak ani jednej z góry ustalonej prognozy: zbadano liczne kombinacje operatorów, mas i rozdziałów energii.

Im więcej hipotez zostanie zbadanych, tym większa szansa, że ​​przynajmniej jedna z nich wygeneruje losowo interesującą rozbieżność. To jest tzw. efekt „patrz gdzie indziej”Współpraca dokonała jego ilościowego określenia, budując symulowane próbki za pomocą technik Monte Carlo i praktycznie powtarzając całe badanie. Po tej korekcie stwierdzono, że ogólna istotność jest równa Sigma 2,6, przy czym wartość p wynosi około 0,5 procent.

Nie oznacza to, że istnieje 99,5% prawdopodobieństwo, że zdarzenie jest związane z ciemną materią. Wartość p mierzy, jak nietypowe byłoby zaobserwowanie takiej rozbieżności, zakładając poprawność modelu bazowego; nie przypisuje ona bezpośrednio prawdopodobieństwa różnym przyczynom fizycznym. Konwencjonalny próg odkrycia w fizyce cząstek elementarnych wynosi pięć sigma, znacznie bardziej restrykcyjne.

Ostrożność jest wzmocniona faktem, że cała nadwyżka zależy od pojedyncze wydarzenieInna interakcja o podobnych cechach zwiększyłaby zainteresowanie, ale znaczenie nie wzrosłoby automatycznie: czynnikami decydującymi byłyby energia, położenie w detektorze, zgodność z tym samym widmem teoretycznym i ewolucja oczekiwanego tła przy nowej ekspozycji.

Rick Gaitskell, profesor w Brown University i rzecznik LZ wykluczył przedwczesne interpretacje w notatce opublikowanej przez Uniwersytet w Sheffield:.

„Nie chcemy przesądzać wniosków na podstawie jednego zdarzenia. Nie twierdzimy, że zaobserwowaliśmy ciemną materię. Ale zobaczyliśmy coś interesującego, czym chcemy się podzielić ze społecznością naukową, aby zebrać jej opinie”.

Kontrole na dole nie wykazały jeszcze przyczyny

Współpraca poświęciła miesiące na testowanie bardziej powszechnych wyjaśnień. Model obejmuje wewnętrzne rozpady beta, neutrina, izotopy ksenonu, śladowe ilości trytu i węgla-14, neutrony radiogeniczne i kosmogeniczne, przypadkowe koincydencje między sygnałami S1 i S2 oraz konfiguracje, w których wiele scyntylacji można powiązać z pojedynczą jonizacją.

Oceniono również zdarzenia generowane w pobliżu powierzchni, wielokrotne interakcje błędnie zrekonstruowane jako pojedyncze oraz możliwe efekty przebiegu fali. Wstrząs o energii 248 keV przeszedł przez zastosowane selekcje i nie towarzyszyły mu sygnały w układach weta, które sugerowałyby przejście neutronu. Ogranicza to niektóre znane wyjaśnienia, nie wykazując jednocześnie, że mógł je wygenerować jakiś rzadki proces lub błąd modelowania.

Aaron Manalaysay, fizyk Lawrence Narodowe Laboratorium w Berkeley i przewodniczący Rady Instytucjonalnej LZ, zauważyli, że nietypowe zdarzenia nie są nieoczekiwane, ale ich źródło zazwyczaj można ujawnić po dokładniejszej inspekcji.

„To pierwszy przykład, spośród wszystkich eksperymentów, nad którymi pracowałem, anomalii, która wydaje się pod każdym względem uzasadniona. Wciąż próbujemy zrozumieć, czy mogliśmy przeoczyć rzadki, ukryty mechanizm, ale ekscytujące jest zastanawianie się, czy to może być pierwszy sygnał obserwacji ciemnej materii”.

Sytuacja ta ilustruje strukturalne ograniczenie eksperymentów z bardzo małą liczbą jednostek. Gdy oczekuje się, że pożądane zjawisko wystąpi tylko kilka razy w ciągu lat eksploatacji, każda pojedyncza interakcja nabiera naukowego znaczenia; jednocześnie populacja pojedynczego elementu nie pozwala na rekonstrukcję widma, weryfikację rozkładu czasowego ani porównywanie ze sobą wielu zdarzeń.

Pojedyncze zdarzenie nie wystarczy do odtworzenia sygnału fizycznego

Sam Eriksen, starszy badacz wUniwersytet w Bristolu i pierwszy autor badania, wyjaśnił, że analiza objęła wcześniej niezbadany obszar w tej samej próbce danych. Zespół spędził kolejne miesiące na rekonstrukcji wszystkich znanych przyczyn mogących wywołać zdarzenia leżące u ich podłoża.

„Znamy nasz detektor i jego komponenty tak dobrze, że nawet pojedyncze niewyjaśnione zdarzenie, takie jak to, które odkryliśmy, jest istotne. Spodziewamy się, że interakcje ciemnej materii będą niezwykle rzadkie, więc nawet kilka takich zdarzeń mogłoby oznaczać pierwsze wykrycie ciemnej materii WIMP”.

Niezależna weryfikacja może pochodzić z innych detektorów ksenonowych, w tym XENONnT w Gran Sasso National Laboratories. Porównywalność będzie jednak zależeć od rozmiaru poszczególnych okien energetycznych, progów, ekspozycji i analizowanych modeli. Podobne zdarzenie zaobserwowane przez inny aparat byłoby szczególnie cenne, ponieważ zmniejszyłoby prawdopodobieństwo konkretnego instrumentalnego pochodzenia LZ.

Dan Tovey, profesor i kierownik grupy LZUniwersytet w Sheffield, podkreślił, że sygnał przeszedł dotychczas wszystkie testy mające na celu ustalenie, czy jest on wynikiem bardziej powszechnych procesów. Jednak jedynym sposobem na ustalenie jego natury jest analiza większej ilości danych.

„Na podstawie jednego zdarzenia nie można stwierdzić, że faktycznie obserwujemy pierwsze oznaki nowej fizyki. Wykonano ogromną pracę, aby zweryfikować, czy zdarzenie to nie jest wynikiem bardziej powszechnych procesów, i jak dotąd przeszło ono wszystkie testy. Jedynym sposobem, aby się upewnić, jest analiza większej ilości danych”.

LZ kontynuuje gromadzenie obserwacji w Dakocie Południowej i dysponuje już największą próbką, jaką kiedykolwiek wytworzono w ramach eksperymentu polowania na WIMP-y. Przyszłe dane pokażą, czy anomalia pozostanie zdarzeniem odosobnionym, czy też jej znaczenie zmniejszy się wraz z dokładniejszą znajomością tła, czy też nastąpią po niej inne odrzuty o porównywalnej energii i charakterystyce. Tylko ta ewentualna powtarzalność przekształci pojedynczy błysk ksenonu w odkrycie dotyczące natury ciemnej materii.

Oto trzy spostrzeżenia, które mogą Cię zainteresować:

SNOLAB, dwa kilometry pod ziemią, nauka przechodzi przez dane
Euclid, misja ESA mająca na celu polowanie na ciemne siły wszechświata
Te „ciemne rzeczywistości” pełne (nowych) tajemnic kosmosu