Először érzékelhette a sötét anyagot a LUX-ZEPLIN
Egy rendkívül ritka eseményt rögzített a világ egyik legérzékenyebb sötétanyag-detektora, a LUX-ZEPLIN. A jel megfelelhet egy eddig ismeretlen részecske és egy xenonatommag ütközésének, de a kutatók egyelőre szándékosan kerülik a „felfedezés” kifejezést. Mindössze egyetlen eseményről van szó, amelyre jelenleg nem találtak meggyőző hagyományos magyarázatot.
A sötét anyagot közvetlenül még soha nem figyeltük meg, létezésére azonban számos csillagászati mérés utal. A galaxisok külső csillagai túl gyorsan keringenek ahhoz, hogy a látható anyag gravitációja összetartsa őket, a galaxishalmazokban mozgó objektumok és a gravitációs lencsehatás pedig szintén sokkal nagyobb tömeget jeleznek annál, mint amennyit csillagok, gázfelhők és bolygók formájában látunk. A mai kozmológiai modell szerint az Univerzum teljes anyagkészletének körülbelül 85 százaléka sötét anyag. Ez az Univerzum teljes energia- és anyagtartalmának mintegy 27 százalékát jelenti; a fennmaradó részt a közönséges anyag és a sötét energia adja.
Az egyik lehetséges magyarázat szerint a sötét anyag WIMP-ekből, vagyis gyengén kölcsönható nagy tömegű részecskékből áll. Ezek elektromágneses sugárzást nem bocsátanak ki és nem nyelnek el, ezért teleszkópokkal láthatatlanok. Ha azonban egy ilyen részecske nagyon ritkán nekicsapódna egy atommag részecskéinek, a meglökött atommag apró, de mérhető energialeadást okozhatna.
Ezeket az ütközéseket keresi a LUX-ZEPLIN, röviden LZ. A berendezést az Egyesült Államokban, Dél-Dakotában, egy egykori aranybánya csaknem 1,5 kilométer mélyén építették meg. A vastag kőzetréteg kiszűri a felszínt folyamatosan bombázó kozmikus részecskék jelentős részét. A detektor szívében hét tonna rendkívül tiszta, folyékony xenon található, amelyet fényérzékelők, valamint további xenon-, folyadékszcintillátor- és vízrétegek vesznek körül.
Ha egy részecske ütközik egy xenonatommaggal, az atommag visszalökődik, és két jellegzetes fényjelet hozhat létre. Az első közvetlenül az ütközésből származó rövid fényfelvillanás, a második pedig az elektromos tér által a folyadék felszínére sodort elektronok késleltetett jele. A két impulzus erőssége és időbeli távolsága alapján a kutatók kiszámíthatják az esemény energiáját, háromdimenziós helyzetét és valószínű természetét. Ez segít megkülönböztetni az atommagot meglökő részecskéket a radioaktív bomlásokból származó elektronoktól.
Az új vizsgálat 220 napnyi, 2023. március 27. és 2024. április 1. között gyűjtött adatot elemzett. A teljes kitettség 2,84 tonnaév volt, vagyis ennyi érzékeny detektoranyag ennyi időn át tartó megfigyelésének felelt meg. A korábbi WIMP-keresések többnyire a 100 kiloelektronvoltnál kisebb atommag-visszalökődéseket vizsgálták. Az LZ kutatói ezúttal körülbelül 270 keV-ig terjesztették ki a keresési tartományt, mert bizonyos alternatív és rugalmatlan sötétanyag-kölcsönhatások nagyobb energiájú jeleket hozhatnak létre.
Ebben a kiterjesztett tartományban találták meg az egyetlen különös eseményt. A detektor 2023. június 16-án egy 248 keV körüli atommag-visszalökődésnek megfelelő jelet rögzített. A statisztikai és rendszeres bizonytalanság egyaránt körülbelül 23 keV volt. Az esemény a detektor aktív térfogatának belsejében történt, és jelalakja összhangban állt egyetlen helyen bekövetkező kölcsönhatással.
A jel különösen azért érdekes, mert a detektor ezen tartományában nagyon kevés ismert háttéresemény várható. A kutatók megvizsgálták az atmoszferikus neutrínók, neutronok, radioaktív bomlások, kozmikus müonok, véletlenül egymás mellé kerülő fényimpulzusok és a detektor falának közelében lezajló összetett események lehetőségét. Egyik magyarázatot sem tudták teljes bizonyossággal kizárni, de egyik sem írta le természetesen a mért jelet.
Külön figyelmet kapott, hogy 25 perccel korábban egy kobalt–57 kalibrációs forrást távolítottak el a berendezésből. A forrás azonban a detektor ellenkező oldalán helyezkedett el, az általa kibocsátott gamma-sugárzás pedig csupán néhány millimétert képes megtenni a folyékony xenonban. A kalibráció körüli adatokban sem találtak szokatlan eseményhalmazt vagy rendellenes detektorműködést. Az utolsó, külső rendszerben észlelt müon 41 perccel, a xenonkamrán áthaladó utolsó müon pedig 127 perccel korábban érkezett.
A statisztikai elemzés helyi szinten legfeljebb 3,4 szigmás eltérést adott, attól függően, hogy a kutatók melyik sötétanyag-modellt vizsgálták. Mivel azonban több különböző modellt és paramétertartományt is végigpróbáltak, figyelembe kellett venni az úgynevezett „máshol keresés” hatását: minél több lehetőséget vizsgálunk meg, annál nagyobb az esélye annak, hogy valamelyikben pusztán véletlenül találunk feltűnő eltérést. E korrekció után a globális jelentőség 2,6 szigma lett.
Ez nagyjából 0,5 százalékos valószínűséget jelent arra, hogy az ismert háttérfolyamatok az alkalmazott modell mellett legalább ilyen szélsőséges eredményt hozzanak létre. Fontos, hogy ez nem azonos azzal az állítással, hogy „99,5 százalék az esélye annak, hogy sötét anyagot találtak”. A statisztikai próba nem számítja ki közvetlenül a sötétanyag-magyarázat valószínűségét, és egy még ismeretlen vagy pontatlanul modellezett háttérfolyamat jelenlétével sem tud automatikusan számolni.
A részecskefizikában egy felfedezés bejelentéséhez rendszerint legalább 5 szigmás eredményt várnak el. Ez körülbelül egy a 3,5 millióhoz esélyt jelent arra, hogy a háttér önmagában legalább ekkora eltérést hozzon létre. A mostani 2,6 szigmás jel ezért legfeljebb ígéretes nyomnak nevezhető.
Ha az eseményt valóban sötétanyag-részecske okozta, akkor az valószínűleg nem a legegyszerűbb, hagyományos WIMP-kölcsönhatás lenne. A jel több olyan effektív térelméleti vagy rugalmatlan modellbe illeszthető, amelyben a sötétanyag-részecske az ütközés közben másik, nagyobb energiájú állapotba kerül, illetve a kölcsönhatás erősen függ az átadott impulzustól. A legnagyobb statisztikai eltérést mutató modellek jellemzően 200 GeV/c²-nél nagyobb WIMP-tömeget igényelnek. Ez több mint kétszázszorosa a proton tömegének.
Egyetlen esemény alapján azonban nem lehet részecsketömeget vagy kölcsönhatási modellt meghatározni. Ha valóban sötét anyagról van szó, a további adatgyűjtés során hasonló energiájú eseményeknek kell megjelenniük, méghozzá olyan eloszlásban, amely megfelel valamelyik elméleti előrejelzésnek. Az olaszországi XENONnT és a kínai PandaX detektor korábbi adataiban szintén kereshető hasonló jel, így független ellenőrzésre is lehetőség nyílhat.
A LUX-ZEPLIN legalább 2028-ig folytatja a méréseket. A következő évek adatai vagy fokozatosan megerősítik a most látott eltérést, vagy megmutatják, hogy egy rendkívül ritka háttéreseményről volt szó. A tudományos jelentősége mindkét esetben komoly: ha a jel sötét anyagtól származik, az alapjaiban változtatja meg a részecskefizikát és a kozmológiát; ha pedig nem, akkor egy eddig nem ismert folyamatot kell azonosítani a világ legérzékenyebb részecskedetektorainak működésében.
A jelenlegi eredmény tehát még nem a sötét anyag felfedezése. Egyetlen, de makacsul kitartó esemény, amely túl érdekes ahhoz, hogy figyelmen kívül hagyják, de túl kevés ahhoz, hogy bizonyítékként fogadják el.
Források: LUX-ZEPLIN kutatócsoport
