Sursa foto: Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
Adaugă-ne ca sursă preferată în Google
Urmărește-ne pe Google News
Din cuprinsul articolului
Materia întunecată este una dintre cele mai mari enigme ale fizicii moderne. Știm că trebuie să existe deoarece efectele sale gravitaționale sunt observate la scara galaxiilor și a întregului Univers. Știm chiar și aproximativ cât de multă materie întunecată există: ea reprezintă circa 85% din toată materia din Univers. Dar nu știm ce este. De aproape un secol, fizicienii încearcă să detecteze direct această materie invizibilă. Printre cei mai cunoscuți candidați se numără WIMPurile, particule ipotetice care ar interacționa foarte slab cu materia obișnuită.
REcent, experimentul LUX-ZEPLIN, unul dintre cele mai sensibile experimente din lume pentru căutarea materiei întunecate, a găsit ceva neobișnuit: un singur eveniment de particulă care este foarte greu de explicat prin procese de fond cunoscute.
Ar putea fi un semnal produs de materia întunecată. Rezultatul nu atinge nivelul statistic necesar pentru a afirma că materia întunecată a fost observată. Este însă cea mai interesantă indicație de acest tip raportată până acum de experimentul LZ.
Ce caută experimentul LZ?
LUX-ZEPLIN, sau LZ, este o colaborare internațională formată din aproximativ 250 de cercetători și ingineri din 39 de instituții.
Detectorul se află la aproape un kilometru și jumătate sub pământ, în Sanford Underground Research Facility, în Dakota de Sud, SUA.
De ce atât de adânc?
Pentru că Pământul este un scut excelent împotriva razelor cosmice. Dacă detectorul ar fi instalat la suprafață, aceste particule ar produce un număr enorm de evenimente care ar putea imita semnalul căutat. Un strat gros de rocă reduce drastic acest zgomot.
În centrul experimentului se află aproximativ 10 tone de xenon lichid ultrapure. Xenonul este folosit deoarece o interacțiune foarte rară între o particulă de materie întunecată și un atom de xenon poate produce un semnal luminos detectabil.
Ce sunt WIMP-urile?
WIMP este acronimul pentru Weakly Interacting Massive Particle, particulă masivă cu interacțiune slabă.
Dacă materia întunecată este alcătuită din WIMP-uri, acestea ar traversa permanent Pământul. Aproape toate ar trece prin materie fără să interacționeze, deoarece interacțiunile lor ar fi extrem de rare.
Ocazional însă, un WIMP ar putea lovi nucleul unui atom de xenon din LZ.
Această coliziune ar produce o cantitate mică de energie, sub forma unui flash de lumină și a unor electroni.
Detectorul LZ este construit tocmai pentru a observa aceste semnale extrem de slabe.
Cum funcționează detectorul?
În centrul detectorului se află o cameră cilindrică umplută cu xenon lichid.
Atunci când o particulă lovește un atom de xenon, interacțiunea poate produce două semnale.
Primul este un mic flash de lumină, detectat de fotomultiplicatoare aflate în partea de sus și de jos a detectorului.
Electronii produși în interacțiune sunt deplasați de un câmp electric către partea superioară a camerei. Acolo generează un al doilea semnal luminos.
Comparând cele două semnale și analizând poziția și energia evenimentului, cercetătorii pot determina foarte precis unde și cum a avut loc interacțiunea.
Această informație este esențială pentru a separa un posibil eveniment de materie întunecată de multitudinea de interacțiuni produse de materia obișnuită.
Un detector într-un „buncăr” cosmic
LZ nu se bazează doar pe adâncimea subterană.
Detectorul este înconjurat de mai multe straturi de protecție și instrumente auxiliare menite să reducă sau să identifice sursele de fond.
Roca de deasupra elimină cea mai mare parte a razelor cosmice.
Un rezervor mare de apă și detectoare externe contribuie la identificarea și reducerea evenimentelor produse de neutroni.
În plus, cercetătorii folosesc metode computaționale sofisticate pentru a analiza fiecare interacțiune și pentru a elimina evenimentele care seamănă cu cele produse de materia întunecată.
Acesta este unul dintre marile paradoxuri ale experimentelor de acest tip: cu cât detectorul devine mai sensibil, cu atât trebuie să înțelegi mai bine fiecare posibilă sursă de zgomot.
Ce au găsit cercetătorii?
Noua analiză a folosit 220 de zile efective de date colectate între martie 2023 și aprilie 2024.
Aceste date fuseseră deja analizate anterior pentru anumite tipuri simple de interacțiuni WIMP.
De această dată, cercetătorii au căutat o gamă mai largă de interacțiuni posibile, inclusiv evenimente care ar putea depune o cantitate mai mare de energie în detector.
Și aici apare surpriza.
În date există un singur eveniment care se află într-o regiune în care cercetătorii se așteaptă ca un semnal de materie întunecată să poată apărea și în care contribuția fondurilor cunoscute este foarte mică.
Problema este că un singur eveniment nu este suficient pentru a spune că am descoperit materia întunecată.
Dar este suficient pentru a pune o întrebare foarte interesantă.
Poate fi acesta un WIMP?
Dacă evenimentul ar fi produs de materia întunecată, analiza sugerează că WIMP-ul responsabil ar trebui să aibă o masă de cel puțin aproximativ 200 GeV/c², adică de peste 200 de ori masa unui proton.
Mai mult, rezultatul ar indica un tip de interacțiune între WIMP și materia obișnuită mai complex decât cel considerat în cele mai simple modele.
Nu ar fi doar un „am găsit un WIMP”, ci și o indicație despre cum ar interacționa acesta cu materia obișnuită.
Dar există o problemă fundamentală: statistica.
2,6 sigma nu înseamnă descoperire
În fizica particulelor există o regulă foarte strictă atunci când se vorbește despre descoperiri.
Pentru o afirmație de tipul „am descoperit o particulă nouă”, standardul folosit este în general de 5 sigma.
Rezultatul LZ este de aproximativ 2,6 sigma.
Aceasta corespunde unei probabilități de aproximativ 0,5% ca un astfel de eveniment să poată apărea din fondurile cunoscute, dacă ipoteza de fond este corectă.
0,5% poate părea foarte puțin, dar pentru o descoperire în fizica particulelor nu este suficient.
De ce este nevoie de un prag atât de sever? Pentru că atunci când cauți semnale extrem de rare, chiar și probabilități mici pot deveni importante. Dacă analizezi foarte multe date și cauți multe tipuri posibile de semnale, este inevitabil ca unele evenimente neobișnuite să apară pur și simplu din fluctuații statistice.
Un singur eveniment poate fi extraordinar.
Dar poate fi și doar... un singur eveniment.
Cât de bine înțelegem fondurile?.
Într-un experiment precum LZ, cercetătorii nu caută doar ceva nou. Ei încearcă mai întâi să demonstreze că tot ceea ce văd poate fi explicat prin ceea ce cunosc deja.
Radioactivitatea naturală, neutronii, radiația cosmică reziduală, impuritățile și chiar procese foarte rare din detector pot produce evenimente care seamănă cu semnalul materiei întunecate.
De aceea, un eveniment „ciudat” nu este automat un eveniment de materie întunecată.
Trebuie eliminată, pe cât posibil, fiecare explicație convențională.
Cercetătorii LZ spun că au analizat în detaliu posibilele surse de fond și că evenimentul rămâne neobișnuit.
Tocmai de aceea este interesant.
„Outlierii” nu sunt ceva neașteptat în datele experimentale. De cele mai multe ori, atunci când sunt investigați mai atent, se dovedește că au o explicație banală.
De această dată însă, evenimentul pare să treacă toate verificările cunoscute. Și tocmai asta îi face pe cercetători să se întrebe dacă nu cumva au în față ceva nou.
De ce un singur eveniment poate fi important?
Dacă avem un singur eveniment, cum poate fi acesta interesant?
Pentru că experimentele de materie întunecată sunt construite pentru a elimina aproape toate evenimentele cunoscute posibile.
Dacă materia întunecată interacționează extrem de rar cu materia obișnuită, atunci primul semnal ar putea fi reprezentat tocmai de un număr foarte mic de evenimente.
În principiu, prima detectare ar putea începe cu un singur eveniment.
Dar pentru ca acesta să devină o descoperire, trebuie să apară mai multe evenimente compatibile cu aceeași ipoteză, iar probabilitatea ca toate acestea să provină din fonduri cunoscute trebuie să devină extrem de mică.
De aceea, următoarele date sunt decisive.
Ce urmează?
Experimentul LZ continuă să colecteze date în laboratorul subteran din Dakota de Sud.
Dacă evenimentul observat este într-adevăr produs de materia întunecată, atunci pe măsură ce se acumulează mai multe date ar trebui să apară și alte evenimente compatibile cu același tip de semnal.
Semnalul ar deveni astfel mai puternic statistic.
Dacă însă evenimentul a fost o fluctuație rară de fond, atunci este foarte posibil ca el să rămână singur și semnificația statistică să scadă pe măsură ce sunt adăugate date noi.
Natura însăși va trebui să răspundă prin următoarele evenimente.
Materia întunecată rămâne un mister
Rezultatul LZ este exact genul de rezultat care face știința atât de interesantă.
Nu este o descoperire încă, nu putem spune că am detectat materia întunecată.
Dar nici nu este un rezultat pe care cercetătorii să îl poată ignora.
Un singur eveniment, într-o regiune în care semnalele de fond sunt foarte reduse, a supraviețuit unei analize extrem de riguroase. Semnificația sa statistică de 2,6 sigma este suficientă pentru a stârni interesul, dar mult prea mică pentru a permite o concluzie definitivă.
Poate fi prima licărire a unei particule noi.
Poate fi o fluctuație statistică.
Poate exista chiar o sursă de fond extrem de rară pe care cercetătorii încă nu au identificat-o.
Deocamdată, nu știm. Și tocmai acesta este motivul pentru care experimentul continuă.
În căutarea materiei întunecate, uneori nu este nevoie de un semnal spectaculos. Este suficient un eveniment care refuză să dispară atunci când îl privești din toate unghiurile.
Acum trebuie să vedem dacă Universul mai produce și altele. Detalii: https://arxiv.org/abs/2609.02823
Articol scris de Cătălina Oana Curceanu, director de cercetare în fizica particulelor elementare și fizica nucleară la Laboratori Nazionali di Frascati, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Roma, Italia), și colaborator al Scientia.ro
Recomandările noastre
