Мистериозни бљесак из дубине земље: Да ли су физичари коначно открили тамну материју

Сићушни бљесак светлости, забележен у срцу најосетљивијег детектора на свету, могао би, иронично, да означи први директан доказ постојања тамне материје. Ова мистериозна супстанца, за коју се верује да чини око 85 одсто укупне материје у свемиру, деценијама је измицала научницима.

Сада, физичари који раде на експерименту LUX-ZEPLIN (LZ) извештавају о необичном сигналу који се не може лако објаснити познатим процесима, а савршено се уклапа у профил водећег кандидата за тамну материју. Резултати, који још увек чекају стручну рецензију, представљени су на конференцији о астрофизици у Јапану.

Тим је, међутим, веома опрезан. Сигнал још увек није прешао статистички праг од пет сигма, који је у физици честица неопходан да би се нешто прогласило открићем. Тренутни ниво значајности је 2,6 сигма, што значи да постоји отприлике једна у 200 шанси да је сигнал последица случајне флуктуације или непознатог позадинског шума. Упркос томе, узбуђење у научној заједници је велико.

„Веома смо заинтригирани овим догађајем забележеним у подацима, баш у региону где очекујемо да се тамна материја појави и где су конкурентски позадински шумови веома ниски", истиче Рик Гејтскел, физичар са Универзитета Браун и портпарол LZ експеримента.

„Са само једним догађајем, не желимо да доносимо исхитрене закључке. Не тврдимо да смо видели тамну материју. Али видели смо нешто занимљиво што желимо да поделимо са научном заједницом и чујемо њихова мишљења."

Потрага у срцу таме

Да би разумели зашто је овај сигнал толико важан, потребно је завирити у сам експеримент. Смештен 1,5 километара испод површине земље у Јужној Дакоти, како би се заштитио од космичких зрака, LZ је дизајниран за један циљ: да ухвати изузетно ретке интеракције честица тамне материје са обичном материјом.

Главни кандидат за састав тамне материје су такозване слабо интерактивне масивне честице (WIMP-ови). Као што им име говори, ове честице имају велику масу, али веома ретко и слабо интерагују са нашим светом, због чега пролазе кроз нас и целу планету готово неприметно.

Експеримент се састоји од огромног резервоара испуњеног ултрачистим течним ксеноном, са танким слојем гасовитог ксенона изнад њега. Теорија предвиђа да ће, у изузетно ретким приликама, WIMP ударити у језгро атома ксенона, стварајући притом слабашан бљесак светлости и ослобађајући електроне.

Фотодетектори на дну резервоара хватају тај први бљесак. Ослобођени електрони се затим усмеравају ка врху, где у слоју гаса стварају други, јачи бљесак. Време и јачина ова два бљеска говоре научницима све што треба да знају о честици која је изазвала интеракцију.

Анализа мистериозног сигнала

Физичари су месецима анализирали податке прикупљене између марта 2023. и априла 2024. године, када су идентификовали интригантан сигнал који се догодио 16. јуна 2023. Два бљеска светлости имала су тачно ону енергију која се очекује од судара WIMP-а са атомским језгром.

Истраживачи су затим провели месеце покушавајући да догађај објасне познатим позадинским процесима, али безуспешно. Енергија догађаја била је превисока да би потицала од неутрона или неутрина, а они би за собом оставили и друге, нижеенергетске трагове који нису детектовани.

Могућност да је сигнал изазвао залутали гама зрак такође је одбачена као мало вероватна, јер би он морао да пређе неуобичајено дуг пут кроз резервоар, распе се на специфичан начин који не производи додатни сигнал, или да некако избегне спољне детекторе. Уместо тога, подаци се најбоље уклапају у сценарио у којем је сигнал изазвао WIMP, са масом већом од 200 гигаелектронволти.

„Необични догађаји у подацима нису неочекивани, али обично се, када их дубље погледате, испостави да су нека врста позадинског шума", објашњава Арон Маналајсеј, физичар из лабораторије Беркли. „Ово је први пример у било ком експерименту на којем сам радио, а да је одметнути сигнал исправан на сваки начин. Наравно, још увек разбијамо главу да ли постоји неки ретки позадински механизам који смо пропустили, али је узбудљиво запитати се да ли би ово могао бити први наговештај посматрања тамне материје."

Док се шампањац не отвори, неопходно је прикупити још података.

Потврда овог открића не само да би решила једну од највећих загонетки космологије, већ би и захтевала проширење Стандардног модела физике честица, теорије која описује све познате силе и честице, али не и тамну материју.

Рад који описује овај догађај предат је на рецензију часопису Physical Review Letters. Без обзира на коначан исход, овај сигнал представља један од најузбудљивијих трагова до сада и подстиче оптимизам да смо на прагу решавања једне од највећих мистерија савремене науке.