Eksperyment LZ zarejestrował zagadkowy błysk. Czy to sygnał ciemnej materii?

W podziemnym ośrodku badawczym zajmującym się fizyką cząstek pojawiło się zdarzenie, które szczególnie poruszyło zespół polujący na ślady ciemnej materii. Badacze pracujący przy LUX-ZEPLIN, czyli detektorze LZ, odnotowali nietypowe rozbłyski światła. Jedna z interpretacji zakłada, że mogły powstać po zderzeniu hipotetycznej cząstki WIMP z atomem ksenonu. Sygnał zarejestrowano w czerwcu 2023 r., a jego sprawdzanie i analiza zajęły kolejne miesiące.

Uczestnicy projektu podkreślają, że choć wynik wygląda obiecująco, nie spełnia jeszcze kryteriów pozwalających jednoznacznie ogłosić bezpośrednią detekcję cząstki ciemnej materii. Rick Gaitskell z Brown University zwracał uwagę, że zdarzenie pojawiło się w obszarze, w którym poszukuje się sygnałów ciemnej materii, a jednocześnie poziom tła jest tam bardzo niski. Mimo to zespół podchodzi do sprawy ostrożnie i zapowiada dalszą weryfikację.

Ciemna materia jest jednym z kluczowych, a wciąż nierozwiązanych problemów współczesnej kosmologii. Zgodnie z obecnymi modelami ma składać się z nieznanych cząstek i występować znacznie częściej niż materia, którą widzimy — nawet w skali pięciokrotnej przewagi. Ponieważ dotąd nie udało się zdobyć bezpośrednich dowodów jej istnienia, każde zdarzenie pasujące do przewidywań natychmiast przyciąga uwagę międzynarodowego środowiska naukowego.

LUX-ZEPLIN należy do najbardziej zaawansowanych konstrukcji służących do poszukiwania tzw. słabo oddziałujących masywnych cząstek (WIMP). Sercem aparatury jest wielki zbiornik z ciekłym ksenonem: jeśli wyjątkowo rzadko dojdzie do oddziaływania WIMP z atomem tego pierwiastka, pojawiają się błyski światła rejestrowane przez bardzo czułe detektory fotonów. Cały system zaprojektowano tak, by maksymalnie ograniczyć zakłócenia — między innymi przez umieszczenie instalacji ponad kilometr pod ziemią i zastosowanie dodatkowych osłon tłumiących wpływ innych cząstek.

Po sprawdzeniu danych badacze ocenili, że zarejestrowane zdarzenie niełatwo przypisać typowym źródłom tła, takim jak oddziaływania neutronów, neutrin czy promieniowania gamma. Aaron Manalaysay z Berkeley Lab mówił, że to pierwszy raz w jego karierze, gdy sygnał "spoza tła" jednocześnie zgadza się z tym, czego zespół oczekiwał po potencjalnym oddziaływaniu.

Kluczowe pozostaje jednak to, że istotność statystyczna wynosi obecnie 2,6 sigma. W praktyce oznacza to prawdopodobieństwo rzędu 1 na 200, że obserwacja jest przypadkowym zakłóceniem. Tymczasem w fizyce cząstek za standard pozwalający ogłosić odkrycie uznaje się próg 5 sigma, odpowiadający szansie około 1 na 3,5 mln na przypadek. Z tego powodu konieczne są kolejne obserwacje i dalsze analizy. Wyniki zostały już zgłoszone do publikacji naukowej, a ich opis jest dostępny w formie preprintu.