Zarejestrowano pierwszy sygnał ciemnej materii? Naukowcy podali zaskakujące wyniki

Naukowcy z międzynarodowego zespołu pracującego przy jednym z najnowocześniejszych detektorów ciemnej materii na świecie ogłosili zaskakujące wyniki najnowszej analizy danych. Eksperyment LUX-ZEPLIN (LZ), prowadzony w głębokim podziemnym laboratorium w Południowej Dakocie, zarejestrował pojedyncze, niezwykle intrygujące zdarzenie, które może być pierwszą wskazówką na istnienie długo poszukiwanej ciemnej materii. Wyniki obserwacji zostały zaprezentowane podczas międzynarodowej konferencji TeV Particle Astrophysics w Japonii. Autorzy pracy podkreślają przy tym, że pojedynczy sygnał nie pozwala jeszcze na ogłoszenie odkrycia.

Główny detektor LUX-ZEPLIN jeszcze przed instalacją pod ziemią w Sanford Lab (Fot. Matthew Kapust/Sanford Underground Research Facility) /materiały udostępnione

Co to jest ciemna materia?

Ciemna materia to jedna z największych zagadek współczesnej fizyki. Choć nie emituje, nie pochłania ani nie odbija światła, jej obecność i oddziaływanie grawitacyjne jest praktycznie niezbędne do wyjaśnienia obserwowanego ruchu galaktyk i struktury Wszechświata. Szacuje się, że stanowi nawet 85 proc. całkowitej masy kosmosu, jednak do tej pory nie udało się jej bezpośrednio zaobserwować.

Eksperyment LZ to efekt współpracy 250 naukowców i inżynierów z 39 instytucji naukowych z całego świata. Detektor znajduje się niemal 1,5 kilometra pod ziemią w Sanford Underground Research Facility, gdzie jest chroniony przed promieniowaniem kosmicznym grubą warstwą skał. 

Urządzenie wykorzystuje 10 ton ultraczystego ciekłego ksenonu, który pozwala na rejestrację nawet najdrobniejszych śladów energii powstałych w wyniku potencjalnych oddziaływań ciemnej materii z materią zwykłą. Celem eksperymentu jest wykrycie tzw. WIMP-ów (Weakly Interacting Massive Particles), hipotetycznych cząstek, które mogą stanowić ciemną materię. Detektor LZ jest jednym z najbardziej czułych urządzeń tego typu na świecie.

Najnowsza analiza naukowców. Co ustalono?

Najnowsza analiza objęła dane zebrane podczas 220 dni pracy detektora, od marca 2023 do kwietnia 2024 roku. W tym czasie naukowcy poszukiwali sygnałów, które mogłyby wskazywać na oddziaływanie WIMP-ów z atomami ksenonu. W trakcie szczegółowej analizy natrafiono na jedno zdarzenie, którego nie da się łatwo wyjaśnić znanymi procesami zachodzącymi w materii zwykłej. 

Jak podkreślają badacze, pojedynczy sygnał nie pozwala jeszcze na ogłoszenie odkrycia. Statystyczna istotność wyniku wynosi obecnie 2,6 sigma (2,6 odchyleń standardowych), co oznacza, że istnieje około 0,5 proc. szans, iż zaobserwowane zdarzenie jest jedynie rzadkim przypadkiem uzyskania takich danych przy założeniu braku efektu, a nie faktycznym sygnałem nowej fizyki. W fizyce cząstek elementarnych za próg odkrycia uznaje się poziom 5 sigma, kiedy to prawdopodobieństwo spada do poziomu 0,00003 proc. (czyli 1 na ok. 3,5 miliona).

Jeśli zarejestrowane zdarzenie rzeczywiście pochodzi od cząstki ciemnej materii, byłaby to cząstka o masie co najmniej 200 razy większej od protonu. Co więcej, sugerowałoby to istnienie bardziej złożonych mechanizmów oddziaływania WIMP-ów z materią niż dotychczas zakładano. Naukowcy podkreślają jednak, że potwierdzenie tej hipotezy wymaga dalszych badań i kolejnych danych. Eksperyment LZ już teraz dysponuje największym na świecie zbiorem danych dotyczących poszukiwań ciemnej materii i będzie kontynuował rejestrację kolejnych zdarzeń. Każde nowe dane zwiększają szansę na rozstrzygnięcie, czy zaobserwowany sygnał jest rzeczywiście pierwszym śladem ciemnej materii.

Detektor LZ jest chroniony nie tylko przez warstwę skał, ale także przez specjalny zbiornik z wodą oraz dodatkowe czujniki, które eliminują wpływ neutronów i innych cząstek mogących zakłócać pomiary. Zaawansowane algorytmy komputerowe pozwalają na precyzyjną analizę i odrzucenie fałszywych sygnałów, co czyni eksperyment jednym z najbardziej zaawansowanych technologicznie przedsięwzięć w dziedzinie fizyki cząstek. Projekt LZ jest finansowany przez amerykański Departament Energii oraz liczne agencje naukowe z Wielkiej Brytanii, Portugalii, Szwajcarii, Australii i Korei Południowej. W prace zaangażowane są czołowe uniwersytety i instytuty badawcze z całego świata.

Choć naukowcy zachowują ostrożność w interpretacji tych wyników, nie kryją podniecenia. Każde nietypowe zdarzenie, które nie daje się łatwo wyjaśnić znanymi procesami, może być krokiem milowym na drodze do rozwiązania jednej z największych zagadek współczesnej nauki. Kolejne miesiące i lata przyniosą odpowiedź, czy jesteśmy świadkami początku nowej ery w badaniach nad ciemną materią. Wyniki zaprezentowano podczas międzynarodowej konferencji TeV Particle Astrophysics w Japonii, a szczegółowy opis analizy trafił do recenzji w prestiżowym czasopiśmie naukowym.