Egy 248 keV-os anomális sokkhullámot észleltek a LUX-ZEPLIN adatokból: megfelelt a háttérzaj-teszteken, de még mindig nem elég egy felfedezéshez.

A 220 napos megfigyelés során mindössze egyetlen becsapódás történt a detektor azon régiójában, ahol a várható háttérzaj rendkívül alacsony. Az esemény energiát adott le 248 kiloelektronvolt és összhangban van egy xenon atommagjának visszarúgásával. Ezt egy sötét anyag részecske is létrehozhatta, de a rendelkezésre álló adatok egyelőre nem teszik lehetővé ennek megállapítását.

A jel innen származik LUX-ZEPLIN, vagy LZ, az egyik legérzékenyebb műszer, amelyet a közönséges anyag és a hipotetikus anyagok közötti kölcsönhatások keresésére építettek. Gyengén kölcsönható masszív részecskék, a gyengén kölcsönható hatalmas részecskék, amelyeket WIMP-ekként ismerünk. A detektor közel egy mérföldnyire a felszín alatt működik, a Sanford Underground Research Facility Leadből, Dél-Dakotából.

La Az LZ Collaboration preprint formában publikálta az eredményt., tehát a szakértői értékelés előtt, miután az elemzést kiterjesztették a hagyományos kutatásoknál sokkal energikusabb nukleáris visszarúgásokra. A statisztikai szignifikancia lokális maximuma a 3,4 szigma, de ez lemegy 2,6 szigma globális szinten figyelembe véve a tesztelt modellek számát. Ez egy figyelemre méltó anomália, nem pedig a sötét anyag első közvetlen megfigyelésének bejelentése.

Hét tonna xenon alakítja át a lökéseket fénnyé

A csillagászati ​​bizonyítékok arra utalnak, hogy a sötét anyag kb. Az univerzum anyagának 85 százalékaJelenlétére a galaxisokra, halmazokra és a nagy kozmikus struktúrákon áthaladó fényre gyakorolt ​​gravitációs hatásaiból következtetnek. Mivel sem nem bocsát ki, sem nem nyeli el megfigyelhető módon az elektromágneses sugárzást, az anyag láthatatlan marad a teleszkópok számára, mikroszkopikus összetétele pedig ismeretlen.

LZ közvetlen mérést kísérel meg. A készülék közepén egy kétfázisú idővetítő kamra körülbelül hét tonna aktív tonna folyékony xenont tartalmaz, ami a közel tíz tonna teljes készlet része. A xenon nehéz atommagokat és rendkívül tiszta közeget kínál, amelyben még a minimális energiaraktárak is rekonstruálhatók.

Amikor egy részecske kölcsönhatásba lép a folyadékban, egy kezdeti szcintillációs impulzust kelt, az ún. S1, és elektronokat bocsát ki. Egy elektromos mező a kamra teteje felé nyomja őket, ahol egy xenongázrétegbe kerülnek, és egy második fényjelet generálnak, S2A két impulzus relatív intenzitása, időintervallumuk és a fény eloszlása ​​lehetővé teszi számunkra, hogy becsüljük meg a kölcsönhatás energiáját és háromdimenziós helyét.

Ez az információ segít megkülönböztetni a jelenségek két családját. A gamma- és béta-részecskék hajlamosak kölcsönhatásba lépni a xenon elektronjaival, ami elektronikus visszarúgások; a neutronok vagy az esetleges WIMP-ek ehelyett közvetlenül eltalálhatják az atommagokat, létrehozva nukleáris visszarúgásokA statisztikai elválasztás nagyon hatékony, de nem abszolút: ritka események, véletlenszerű egybeesések és nem szabványos eszközválaszok utánozhatják a kívánt jelet.

A detektor mélyen a föld alatt található, hogy csökkentse a kozmikus sugarak áramlását, és egy víztartály, valamint a neutronok és más részecskék azonosítására képes külső rendszerek védik. A sötét anyag keresése így nemcsak a célpont tömegétől függ, hanem attól is, hogy szinte minden lehetséges háttérsugárzási forrást azonosítani és elutasítani tudjunk.

Az energiaablak 55 keV-ról körülbelül 270 keV-ra nő

Az elemzés a következők között gyűjtött adatokat használja fel: 2023. március 27. és 2024. április 1., a teljes kitettség esetében 2,84 tonna éventeUgyanezt a mintát már tanulmányozták a legegyszerűbb WIMP kölcsönhatások keresése során, főként alacsony energiákon koncentrálva. Az új munka kiterjesztette a nukleáris visszarúgások tartományát a 5,4-től körülbelül 270 keV-ig, szemben a korábbi, közel 55 keV-os határértékkel.

Ez a választás lehetővé teszi számunkra, hogy olyan modelleket vizsgáljunk, amelyekben a várható energiaeloszlás nem csökken olyan gyorsan, mint a hagyományos spin-független rugalmas kölcsönhatásban. Az együttműködés a következő operátorokat vette figyelembe: nem relativisztikus effektív térelmélet, egy matematikai eszköz, amely leírja a WIMP protonokkal és neutronokkal való párosulásának különböző módjait.

A forgatókönyveket is megvizsgálták rugalmatlan sötét anyagAz ilyen modellekben a részecske az ütközés során halmazállapotot változtat, és az energia egy részét egy valamivel nehezebb változat előállítására fordítja. Ahhoz, hogy ez a folyamat lehetővé váljon, a WIMP-eknek kellően gyorsaknak és masszívaknak kell lenniük; a keletkező visszarúgások ezért olyan energiatartományokat foglalhatnak el, amelyeket a standard elemzések figyelmen kívül hagynak.

Az anomáliás eseményt rekonstruálták a 248 keV, 23 keV statisztikai bizonytalansággal és azonos nagyságrendű szisztematikus bizonytalansággal. Morfológiája összhangban van egyetlen nukleáris visszarúgás morfológiájával, míg helyzete a falakból és más alkatrészekből származó szennyeződés korlátozására kiválasztott belső térfogaton belülre esik.

Ha az ütközést sötét anyag okozta, a figyelembe vett értelmezések általában egy nehéz WIMP-et igényelnének, amelynek tömege legalább 200 GeV/c², kétszázszor nagyobb, mint a protoné. Továbbá nem is ez lenne a leggyakrabban keresett elemi kölcsönhatás, hanem inkább egy, a lendülettől, a spintől vagy egy rugalmatlan átmenettől függő csatolás. A jel tehát nem azonosít egy adott részecskét: számos, elemzésnek alávetett elméleti konstrukcióval kompatibilis.

A lokális maximumtól a globális, körülbelül 2,6 szigmás értékig

Egyes modellek esetében a megfigyelt esemény és a csak háttérre vonatkozó hipotézis közötti inkompatibilitás lokálisan eléri a határértékeket. 3,4 szigmaÖnmagában véve egy ilyen érték nagyon alacsony valószínűséggel jelent legalább ilyen szélsőséges eredményt fluktuáció révén. A kísérlet azonban nem igazolt egyetlen előre meghatározott jóslatot sem: számos operátor-, tömeg- és energiaelválasztási kombinációt vizsgált.

Minél több hipotézist vizsgálunk, annál nagyobb az esélye annak, hogy legalább egy véletlenszerűen érdekes eltérést produkál. Ez az ún. máshol keresés hatásAz együttműködés során Monte Carlo-technikával szimulált mintákat építettek, és gyakorlatilag megismételték a teljes kutatást. A korrekció után az összesített szignifikancia egyenlőnek bizonyult a következővel: 2,6 szigma, 0,5 százalékos nagyságrendű p-értékkel társulva.

Ez nem jelenti azt, hogy 99,5 százalékos a valószínűsége annak, hogy az esemény sötét anyag eredetű. A p-érték azt méri, hogy mennyire szokatlan lenne egy ilyen eltérés megfigyelése, feltételezve, hogy az alapul szolgáló modell helyes; nem rendel közvetlenül valószínűséget a különböző fizikai okokhoz. A részecskefizikában a felfedezés kijelentésének hagyományos küszöbértéke a következő: öt szigma, sokkal korlátozóbb.

Az óvatosságot fokozza az a tény, hogy a teljes többlet ettől függ egyetlen eseményEgy másik, hasonló jellemzőkkel bíró kölcsönhatás fokozná az érdeklődést, de a jelentőség nem növekedne automatikusan: az energia, a detektorban elfoglalt helye, az ugyanazon elméleti spektrummal való kompatibilitás és a várható háttérváltozás az új expozícióval meghatározó tényezők lennének.

Rick Gaitskell, professzor at Brown University és az LZ szóvivője kizárta a korai értelmezéseket a Sheffieldi Egyetem:.

„Nem akarjuk egyetlen esemény alapján előre megítélni a következtetéseket. Nem állítjuk, hogy sötét anyagot figyeltünk meg. De láttunk valami érdekeset, amit meg szeretnénk osztani a tudományos közösséggel, hogy összegyűjtsük a véleményüket.”

Az alján végzett ellenőrzések még nem találtak okot

Az együttműködés hónapokat töltött a hétköznapibb magyarázatok tesztelésével. A modell magában foglalja a belső béta-bomlásokat, a neutrínókat, a xenon izotópokat, a trícium és a szén-14 nyomait, a radiogén és kozmogén neutronokat, az S1 és S2 jelek közötti véletlen egybeeséseket, valamint azokat a konfigurációkat, amelyekben több szcintilláció társítható egyetlen ionizációhoz.

A felszínek közelében létrejövő eseményeket, a tévesen egyetlenként rekonstruált többszörös kölcsönhatásokat és a lehetséges hullámforma-effektusokat is értékelték. A 248 keV-os lökés megfelelt az alkalmazott kiválasztásoknak, és a vétórendszerekben nem kísérték olyan jelek, amelyek egy neutron áthaladására utaltak volna. Ez csökkenti néhány ismert magyarázat lehetőségét, anélkül, hogy bizonyítaná, hogy bármilyen ritka folyamat vagy modellezési hiba létrehozhatta volna.

Áron Manalaysay, Lawrence fizikus Berkeley Nemzeti Laboratórium és az LZ Intézményi Tanács elnöke megjegyezte, hogy a rendellenes események nem váratlanok, de általában alaposabb vizsgálat után kiderül az eredetük.

„Ez az első példa az összes kísérlet közül, amelyeken dolgoztam, egy olyan anomáliára, amely minden tekintetben érvényesnek tűnik. Még mindig próbáljuk megérteni, hogy esetleg kihagytunk-e egy ritka mögöttes mechanizmust, de izgalmas azon tűnődni, hogy ez lehet-e a sötét anyag megfigyelésének első jele.”

A helyzet a nagyon alacsony darabszámú kísérletek strukturális korlátját illusztrálja. Amikor a kívánt jelenség várhatóan csak néhány alkalommal jelentkezik a működés éveiben, minden egyes interakció tudományos súlyt kap; ugyanakkor egyetlen elemből álló populáció nem teszi lehetővé számunkra, hogy rekonstruáljunk egy spektrumot, ellenőrizzünk egy időbeli eloszlást, vagy összehasonlítsunk több eseményt egymással.

Egyetlen esemény nem elegendő egy fizikai jel rekonstruálásához

Sam Eriksen, vezető kutató aBristoli Egyetem és a tanulmány első szerzője elmagyarázta, hogy az elemzés egy korábban nem vizsgált régiót vizsgált ugyanazon adatmintán belül. A csapat további hónapokat töltött azzal, hogy rekonstruálja az összes ismert okot, amely a mögöttes eseményeket okozhatja.

„Olyan jól ismerjük a detektorunkat és alkatrészeit, hogy akár egyetlen megmagyarázhatatlan esemény is, mint amilyennek mi találtunk, fontos. Arra számítunk, hogy a sötét anyaggal való kölcsönhatások rendkívül ritkák lesznek, így akár néhány esemény is jelentheti a WIMP sötét anyag első észlelését.”

Független megerősítést kaphatunk más xenondetektoroktól is, beleértve a következőket: XENONnT a Gran Sasso Nemzeti Laboratóriumokban. Az összehasonlíthatóság azonban az egyes energiaablakok méretétől, a küszöbértékektől, az expozícióktól és az elemzett modellektől függ. Egy másik készülékkel megfigyelt hasonló esemény különösen értékes lenne, mivel csökkentené az LZ specifikus műszeres eredetének valószínűségét.

Dan Tovey, professzor és az LZ csoport vezetőjeSheffieldi Egyetemhangsúlyozta, hogy a jel eddig minden olyan teszten megfelelt, amelyet annak megállapítására végeztek, hogy gyakoribb folyamatoknak köszönhető-e. A természetének meghatározására azonban csak nagyobb mennyiségű adat vizsgálata lehetséges.

„Csak egyetlen esemény alapján lehetetlen arra a következtetésre jutni, hogy valóban az új fizika első jeleit figyeljük meg. Rengeteg munkát végeztek annak igazolására, hogy az esemény nem gyakoribb folyamatok eredménye, és eddig minden teszten megfelelt. Az egyetlen módja annak, hogy biztosak legyünk benne, az, ha több adatot elemzünk.”

Az LZ továbbra is gyűjti a megfigyeléseket Dél-Dakotában, és máris a WIMP-vadászati ​​kísérlet során valaha előállított legnagyobb mintával rendelkezik. A jövőbeli adatok majd feltárják, hogy az anomália elszigetelt esemény marad-e, jelentősége elhalványul-e a háttér pontosabb ismeretével, vagy hasonló energiájú és jellemzőjű visszaverődések követik-e. Csak ez a lehetséges ismétlődés teheti lehetővé, hogy egyetlen xenonvillanás a sötét anyag természetére vonatkozó felfedezéssé váljon.

Íme három betekintés, amelyek érdekelhetik:

SNOLAB, két kilométerrel a föld alatt, a tudomány áthalad az adatokon
Euklidész, az ESA küldetése a világegyetem sötét erőire vadászni
Azok a "sötét valóságok", amelyek tele vannak (új) rejtélyekkel a kozmoszról