Nieuchwytna ciemna materia. Co wynika z detekcji neutrin?

Współczesne obserwacje i modele kosmologiczne sugerują, że tylko ok. 5% masy i energii zawartej we Wszechświecie to znana nam dotychczas materia (tzw. materia barionowa). Spodziewane jest, że pozostałe jego składniki występują zarówno w formie nieznanego rodzaju cząstek, tzw. ciemna materia (27% bilansu), oraz energii wypełniającej przestrzeń - tzw. ciemna energia (68%). Poznanie natury tych tajemniczych składników stanowi jedną z największych obecnie zagadek stojących przed fizyką i kosmologią.

Jak się obecnie sądzi, ciemna materia nie musi być zbudowana z jednego rodzaju cząstek. Przypuszcza się, że istnieć może kilka typów ciemnej materii, które powinny być możliwe do zarejestrowania doświadczalnie. Mowa w pierwszej kolejności o tzw. barionowej ciemnej materii – czyli zbudowanej m.in. z protonów i neutronów. Osobną grupę stanowić może niebarionowa ciemna materia: w "odmianie" zimnej (zbudowana z nieoddziałujących elektromagnetycznie masywnych cząstek, poruszających się z mniejszymi prędkościami - nie odkryto jednak nadal takich, które spełniałyby te wymagania) oraz gorącej – czyli dotyczącej cząstek poruszających się z prędkościami relatywistycznymi. Za cząstki, które mogą kwalifikować się jako takie uważa się natomiast neutrina (choć według obecnej wiedzy nie mogą one stanowić całej skali ciemnej materii).

W niedawno opublikowanych wynikach badań wskazano na trudności w poszukiwaniach dowodów istnienia cząstek ciemnej materii w naszej Galaktyce. Wykorzystano do tego znajdujący się w Japonii detektor neutrinowy Super-Kamiokande. Znajdujący się blisko kilometr pod ziemią (w starej kopalni) zbiornik zawiera ok. 50 tysięcy ton "ultraczystej" wody i ma wielkość ok. 10 piętrowego budynku mieszkalnego. System jest zoptymalizowany do rejestracji oddziaływań neutrin produkowanych zarówno w znanych nam dotychczas źródłach jak np. Słońce, czy atmosfera ziemska, jak i być może w źródłach jeszcze nieodkrytych.

"Spodziewamy się, że poszukiwane przez nas cząstki ciemnej materii powinny odpowiadać za minimum 90% masy zawartej w galaktykach takich jak nasza, oraz że mogą one ze sobą anihilować, produkując w wyniku tego procesu znane nam cząstki z tzw. Modelu Standardowego, w tym neutrina" - podkreśla dr Piotr Mijakowski z Narodowego Centrum Badan Jądrowych, uczestnik międzynarodowych badań nad tym zagadnieniem. Autor jest jednym z 12 adiunktów NCBJ wyróżnionych w instytucie pod koniec 2020 r. za swoje badania.

Przy pomocy zaawansowanych symulacji komputerowych stworzyliśmy szereg przewidywań, jakie byłyby rozkłady energii oraz kierunku przylotu neutrin wyprodukowanych w wyniku anihilacji ciemnej materii w centrum oraz w halo Drogi Mlecznej widziane w naszym teleskopie. Następnie, wykorzystując metody statystyczne sprawdziliśmy, czy rejestrowane przez Super-Kamiokande od 1996 roku oddziaływania neutrin zawierają jakiś wkład od neutrin z anihilacji ciemnej materii, biorąc pod uwagę wszystkie znane nam ich inne źródła. Nie zaobserwowaliśmy nadwyżki takiego potencjalnego sygnału ponad tło i dzięki temu mogliśmy wprowadzić ograniczenia na pewne własności cząstek ciemnej materii. Dla szerokiego zakresu ich spodziewanych mas są to w tej chwili najsilniejsze ograniczenia pochodzące z obserwacji teleskopów neutrinowych.

Jak podkreślają przedstawiciele NCBJ, doświadczenie zdobyte w dotychczasowych pracach pozwoliło na rozszerzenie studiów nad ciemną materią. Naukowcy zwracają uwagę, że możliwe stało się bliższe określenie przewidywanej czułości (wykrycia cząstek ciemnej materii) w ramach obecnie powstających detektorów neutrin nowej generacji, takich jak Hyper-Kamiokande oraz KM3NeT.

Źródło: Narodowe Centrum Badań Jądrowych