Podzemni detektor pronašao mogući trag tamne materije

Šesnaestog juna 2023. godine, gotovo hiljadu i po metara ispod stijena Južne Dakote, jezgro atoma ksenona proizvelo je uzmak s rekonstruisanom energijom od 248 keV. Trajalo je djelić sekunde.

Istraživači iz kolaboracije LUX-ZEPLIN (LZ) i danas ne znaju šta je taj uzmak izazvalo.

Istraživači taj događaj zovu LZ.230616, prema datumu kada se dogodio.

Analizu je vodio fizičar Sam Eriksen, a otkriven je tek mjesecima kasnije, duboko u gomili prikupljenih podataka; njegov tim ga je u septembru ove godine predstavio kao mogući trag tamne materije.

Riječ je o nevidljivoj supstanci za koju se procjenjuje da čini oko 85 posto ukupne mase u svemiru.

Njeno postojanje potvrđeno je posredno, kroz gravitacioni uticaj na kretanje galaksija, ali je do sada niko nije direktno uhvatio.

Otkad je LZ počeo raditi krajem 2021. godine, dosadašnje potrage za standardnim, niskoenergetskim WIMP signalima nisu pronašle ništa izvan očekivane pozadine, samo sve strože granice za masu i osobine tražene čestice.

Ovogodišnji nalaz prvi put remeti taj niz, iako sam tim odmah upozorava da je riječ o samo jednom događaju.

Šta zapravo pokazuje analiza

LZ detektor radi u bivšem rudniku zlata, u podzemnoj laboratoriji Sanford (SURF), na dubini od otprilike 1,5 kilometara.

Njime upravlja Nacionalna laboratorija Lawrence Berkeley Ministarstva energetike SAD, a u projektu učestvuje 250 naučnika i inženjera iz 39 institucija u šest zemalja, uključujući univerzitete u Velikoj Britaniji, Portugalu, Švicarskoj, Australiji i Južnoj Koreji.

Srce uređaja čini deset tona izuzetno čistog tečnog ksenona, okruženog slojevima vode i tečnog scintilatora koji filtriraju gotovo svaki spoljni signal prije nego stigne do centra.

Kada čestica udari u jezgro atoma ksenona, sudar odmah proizvodi kratak bljesak svjetlosti.

Oslobođeni elektroni potom, pod uticajem električnog polja, putuju ka vrhu komore, gdje stvaraju drugi, odgođeni svjetlosni signal.

Oba signala bilježi isti niz osjetljivih fotosenzora, a njihovo vremensko i prostorno usklađivanje timu omogućava da razdvoji prave kandidate od radioaktivnog raspada okolne stijene, kosmičkih zraka i tragova nečistoća iz same konstrukcije uređaja.

Prethodne pretrage ograničavale su se na energije ispod 50 keV, opseg u kojem teorija predviđa najlakše čestice tamne materije.

U novoj analizi, objavljenoj u saopštenju Univerziteta u Bristolu i koja pokriva 220 dana podataka prikupljenih između marta 2023. i aprila 2024. godine, tim je proširio potragu do 270 keV i naišao na jedan jedini događaj koji ne odgovara nijednom poznatom izvoru pozadinskog šuma.

Slične potrage vodila su i dva konkurentska projekta, XENON u italijanskoj laboratoriji Gran Sasso i PandaX u kineskoj podzemnoj laboratoriji Jinping, ali s manjim ili starijim setovima podataka, prema izvještaju Nature.

Nijedan od njih do sada nije zabilježio ništa izvan očekivanog šuma u tom istom energetskom pojasu.

Statistička značajnost nalaza iznosi 2,6 sigma, što odgovara vjerovatnoći od približno 0,5 posto da je riječ o slučajnoj fluktuaciji.

Prag koji fizika smatra dovoljnim za zvanično otkriće iznosi pet sigma, tako da je razlika i dalje velika.

"Ne želimo da zaključujemo prerano", rekao je Rick Gaitskell, profesor fizike na Univerzitetu Brown i portparol kolaboracije, dodajući da tim ne tvrdi da je vidio tamnu materiju, nego da je naišao na nešto vrijedno pažnje šire naučne zajednice.

Eriksen navodi da bi zabilježeni događaj, ukoliko zaista potiče od tamne materije, upućivao na WIMP masu od najmanje 200 GeV/c², više od dvjesto puta veću od mase protona, i time na česticu težu i neuobičajeniju od onoga što najjednostavniji teorijski modeli predviđaju.

Profesor Henning Flaecher s Univerziteta u Bristolu, koji vodi dio istraživanja, ističe da mjesecima duga provjera svih poznatih uzroka pozadinskih signala do sada nije ponudila uvjerljivo alternativno objašnjenje.

Podaci koji tek stižu

Eriksen je te rezultate iznio 1. septembra na konferenciji TeV Particle Astrophysics u japanskom gradu Tendo, a kolaboracija je već sljedećeg dana, 2. septembra, rad objavila kao preprint na arXivu i poslala ga časopisu Physical Review Letters.

Formalnu recenziju za časopis rad tek treba proći, iako ga nezavisni istraživači, otkako je dostupan kao preprint, već razmatraju.

LZ nastavlja da radi duboko ispod Južne Dakote, a naredni krug analize podataka trebalo bi da pokaže da li ovaj signal opstaje ili nestaje u pozadinskom šumu.