Tajemniczy sygnał w detektorze ciemnej materii

Jak przypominają naukowcy z Brown University (USA), fizycy od dekad próbują zrozumieć naturę ciemnej materii. Według obecnych szacunków to ona odpowiada aż za 85 proc. masy wszechświata. Choć nigdy jej bezpośrednio nie wykryto, o jej obecności świadczy oddziaływanie grawitacyjne.

Uważa się, że nie emituje ona światła, a w jakiekolwiek oddziaływania ze zwykłą materią wchodzi bardzo rzadko. Teraz w eksperymencie LUX-ZEPLIN (LZ) zarejestrowano sygnał pochodzący od jednej cząstki, którego eksperci nie potrafią wytłumaczyć aktywnością zwykłej materii. Uważają, że może pochodzić właśnie od ciemnej materii.

„Bardzo intryguje nas to zdarzenie, ponieważ pojawiło się w danych w obszarze, w którym spodziewamy się sygnału ciemnej materii, a poziom konkurencyjnych sygnałów tła jest bardzo niski” – podkreślił prof. Rick Gaitskell z Brown University, rzecznik eksperymentu LZ, współautor badania przedstawionego w trakcie 2026 konferencji TeV Particle Astrophysics.

„Mając tylko jedno zdarzenie, nie chcemy wyciągać zbyt daleko idących wniosków. Nie twierdzimy, że zaobserwowaliśmy ciemną materię. Zobaczyliśmy jednak coś interesującego, czym chcemy podzielić się ze społecznością naukową i poznać jej opinie” – dodał.

Jednym z głównych teoretycznych kandydatów na cząstkę ciemnej materii jest masywna tzw. WIMP (Weakly Interacting Massive Particle – słabo oddziałująca masywna cząstka). Detektor LZ został właśnie stworzony do ich poszukiwania.

W dużym uproszczeniu mówiąc, to zbiornik zawierający 10 ton ultraczystego ciekłego ksenonu wyposażony w czujniki zaprojektowane do rejestrowania rzadkich oddziaływań między cząstkami WIMP i atomami ksenonu.

Detektor ten umieszczony jest 1,5 km pod ziemią w Sanford Underground Research Facility (SURF) w Dakocie Południowej, gdzie jest osłonięty przed promieniowaniem kosmicznym i innymi zakłóceniami.

W nowej analizie naukowcy sprawdzili dane z 220 dni pracy tego detektora, zebrane od marca 2023 do kwietnia 2024 roku. Wcześniej przeszukiwano już ten zbiór pod kątem słabych sygnałów związanych z najprostszymi rodzajami oddziaływań WIMP-ów.

Tym razem badacze sprawdzili szerszy zakres możliwych oddziaływań WIMP-ów, które mogłyby pozostawiać w detektorze więcej energii – LZ jest szczególnie czuły na takie właśnie sygnały.

„Było to szczegółowe badanie obszaru, którego wcześniej nie analizowaliśmy w tym zbiorze danych. Poświęciliśmy dodatkowo wiele miesięcy na zrozumienie wszystkich możliwych źródeł zdarzeń tła” – powiedział jeden z badaczy, Sam Eriksen z University of Bristol.

„Tak dobrze rozumiemy nasz detektor i źródła tła, że nawet pojedyncze nietypowe zdarzenie, takie jak to, które znaleźliśmy, ma znaczenie. Spodziewamy się, że zdarzenia związane z ciemną materią będą niezwykle rzadkie, dlatego już kilka takich przypadków mogłoby oznaczać pierwsze wykrycie ciemnej materii w postaci WIMP-ów” – zwrócił uwagę ekspert.

Naukowcy wyjaśnili, że jeśli anomalne zdarzenie rzeczywiście zostało wywołane przez ciemną materię, odpowiedzialny za nie WIMP miałby prawdopodobnie masę aż 200 razy większą od masy protonu.

Dodali, że wyników nie można jeszcze z całą pewnością uznać za odkrycie. Według poczynionych szacunków, prawdopodobieństwo wyjaśnienia tego zdarzenia znanymi źródłami tła wynosi jednak tylko ok. 0,5 proc. Dodatkowe dane pozwolą sprawdzić znaczenie uzyskanych wyników.

LZ zgromadził już największy na świecie zbiór danych dotyczących poszukiwań ciemnej materii i będzie zbierał kolejne, co ma znacząco poprawić statystykę badań.

Autor: Marek Matacz (PAP)