Czy była to detekcja ciemnej materii?
Czy zjawisko “LZ230616” było śladem iteracji ciemnej materii w detektorze LUX–ZEPLIN?Jedną z największych zagadek współczesnej kosmologii jest skład naszego Wszechświata. Masa wszystkich obserwowanych gwiazd, czarnych dziur, galaktyk czy gromad galaktyk nie jest wystarczająca, by wyjaśnić m.in. zmianę prędkości ekspansji Wszechświata. Dlatego też jeszcze przed końcem poprzedniego wieku astronomowie zaproponowali pojęcie “ciemnej energii” jako ważnego elementu całkowitej masy Wszechświata. Oprócz “ciemnej materii” miał to być ważny lub nawet przeważający element całkowitej masy naszego Uniwersum, gdyż mniej niż 5% masy Wszechświata to “zwyczajne” atomy – te, z których są zbudowane gwiazdy i planety. Natomiast przewiduje się, że mniej niż 25% masy Wszechświata to “ciemna materia”, która miała by być bardziej “nietypowa” (w astronomii się używa określenia “egzotyczna”) w porównaniu z materią barionową, która tworzy znane nam atomy.
Ciemna materia ma bardzo rzadko wchodzić w interakcję z materią barionową. Dlatego określa się jej cząstki jako Weakly Interacting Massive Particles (WIMP – słabo oddziałujące masywne cząstki). Dużym problem było stworzenie odpowiedniego detektora, który byłby w stanie wykryć WIMP i jednocześnie oddzielić sygnał od takiej cząstki od wszelkich innych zjawisk, w tym neutrin, kosmicznego promieniowania czy błędów detektorów.
A amerykańskim stanie Południowa Dakota, na głębokości 1500 metrów, znajduje się detektor LUX–ZEPLIN (LZ). Celem LZ jest poszukiwanie cząstek WIMP. Ten detektor jest położony tak głęboko, aby zminimalizować strumienie innych, znanych wysokoenergetycznych cząstek. Detektor LZ jest wynikiem wspólnych prac ponad 250 naukowców z 39 jednostek naukowych z USA, Portugalii, Szwajcarii, Australii, Wielkiej Brytanii i Korei Południowej. Celem tego LZ jest wykrywanie cząstek WIMP za pomocą dużego zbiornika ultraczystego ciekłego chłodnego ksenonu. LZ rozpoczął swoje prace już w 2015 roku. W 2023 roku zarejestrowany został sygnał o oznaczeniu LZ230616, o którym naukowcy konsorcjum LZ poinformowali we wrześniu 2026. Detekcja udała się w wyniku poszerzenia możliwości detekcyjnych tego zbiornika.
Czym jest LZ230616?
W czerwcu 2023 roku wykryto sygnał w detektorze LZ. Ten sygnał odpowiadał energii około 248 keV. Wyliczenia naukowców sugerują, że sygnał mógł pochodzić od cząstki o masie przynajmniej 200 GeV/c2, co odpowiada masie więcej niż 200 razy większej od masy protonu. Co więcej, to zjawisko zdaje się sugerować, że interakcja pomiędzy ciemną a “zwyczajną” materią może mieć skomplikowany przebieg.
Czy znaleziono przykład interakcji z ciemną materią? Krótką odpowiedzią jest “być może”. Jednakże, to “być może” jest ważnym krokiem naprzód w naszym zrozumieniu składu Wszechświata.
Jeśli LZ230616 rzeczywiście jest sygnałem od WIMP, wówczas można się spodziewać kolejnych detekcji w najbliższych latach. Prawdopodobnie detekcje będą na różnych poziomach energii, co sugeruje różną masę WIMP’ów. Może się okazać, że istnieje wiele różnych WIMPów, każdy o nieco innej charakterystyce, w tym charakterystyce oddziaływania z “normalną” materią.
Oczywiście, poziom pewności tej detekcji jest wciąż na zbyt niskim poziomie, aby definitywnie odrzucić wszelkie inne możliwe interakcje, błędy detekcji czy szum pomiarowy. Naukowcy konsorcjum LZ będą jednak kontynuować prace, zaś detektor LZ nadal pełni swoją rolę. Może już niebawem zostanie wykryty kolejny podobny sygnał? Detektor LZ ma funkcjonować przynajmniej do 2028 roku.
Preprint publikacji tego zjawiska (plik .pdf).
(LZ)
