To może być jedno z największych odkryć w historii. Fizycy twierdzą, że zaobserwowali ciemną materię

Naukowcy pracujący przy eksperymencie LUX-ZEPLIN (LZ) ogłosili, że w danych z podziemnego detektora znaleźli niezwykłe, pojedyncze zdarzenie, które może być pierwszym potwierdzeniem istnienia tzw. cząstek WIMP, czyli najmocniejszych kandydatek na ciemną materię. Wyniki zaprezentowano 1 września podczas konferencji TeV Particle Astrophysics w japońskim Tendo, ale autorzy od razu zastrzegli, że nie jest to jeszcze ogłoszenie odkrycia. Artykuł naukowy poświęcony odkryciu jest w fazie preprintu, dostępny na stronie eksperymentu.

Czym jest ciemna materia?

Jest jedną z największych i najbardziej fascynujących zagadek współczesnej kosmologii i fizyki cząstek elementarnych. Choć szacuje się, że stanowi około 85% materii we Wszechświecie, jest całkowicie niewidzialna dla instrumentów badawczych. Nie emituje, nie odbija ani nie pochłania światła ani żadnego innego promieniowania elektromagnetycznego.

O jej istnieniu naukowcy wiedzą wyłącznie dzięki efektom grawitacyjnym, jakie wywiera na widzialną materię – to właśnie jej grawitacyjne oddziaływanie utrzymuje gwiazdy na obrzeżach galaktyk oraz zagina światło odległych obiektów (zjawisko soczewkowania grawitacyjnego). Głównymi kandydatkami na cząstki tworzące tę tajemniczą substancję są tak zwane WIMP-y (ang. (Weakly Interacting Massive Particles).

Przełom w dawnej kopalni złota. Czym jest eksperyment LUX-ZEPLIN?

Próby wykrycia ciemnej materii podczas jej przejścia przez Ziemię lub wytworzenia jej poprzez zderzanie atomów m.in. w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC) do tej pory kończyły się niepowodzeniem. Uruchomiony pod koniec 2021 roku LUX-ZEPLIN to wersja wcześniejszych eksperymentów, mających na celu bezpośrednią detekcję ciemnej materii przy użyciu ksenonu.

Detektor LZ pracuje niemal półtora kilometra pod ziemią, w dawnej kopalni złota, w Sanford Underground Research Facility w Lead w Południowej Dakocie. Gruba warstwa skał chroni go przed promieniowaniem kosmicznym. Wykorzystuje ok. 7 ton ultraczystego ciekłego ksenonu. Gdy przelatująca cząstka uderza w jądro atomu ksenonu, powstaje drobny błysk światła rejestrowany przez czułe detektory, co pozwala odtworzyć energię i tor oddziaływania.

Jedno zderzenie stawia na nogi świat nauki

Przełomowa analiza objęła 220 dni obserwacji, od marca 2023 do kwietnia 2024 roku. Naukowcy badali błyski, które powstają, gdy cząstka o wysokiej energii zderza się z jądrem ksenonu, powodując jego odrzut z dużą prędkością. – Zazwyczaj poszukiwania te koncentrują się na niskich energiach zderzeń, poniżej 50 kiloelektronowoltów. My rozszerzyliśmy ten zakres aż do 270 keV – powiedział Samuel Eriksen, fizyk cząstek z University of Bristol w Wielkiej Brytanii, w rozmowie z Nature.

Aby uniknąć błędów, naukowcy prowadzili tzw. ślepą analizę – dane były sztucznie „zasalane” fałszywymi sygnałami. Po ich usunięciu pozostał jeden, wyrazisty impuls, zdarzenie, którego nie da się wyjaśnić znanymi procesami zachodzącymi w zwykłej materii. Wygląda na to, że była to cząstka WIMP.

Zdarzenie o tak wysokiej energii nie mogłoby pochodzić z najprostszego typu oddziaływania, w którym WIMP odbija się od pojedynczego nukleonu. Musiałoby wynikać z bardziej złożonego oddziaływania cząstki z całym jądrem ksenonu. To oznaczałoby, że sama cząstka waży co najmniej 200 razy więcej niż proton, a być może nawet 1000 razy więcej.

Fizyka na progu wielkiego odkrycia

Do ogłoszenia największego przełomu we współczesnej fizyce jednak wciąż trochę brakuje. Kluczowa jest tu statystyka. Istotność wyniku LUX-ZEPLIN wynosi 2,6 sigma, co oznacza mniej więcej 0,5 procenta szans, że sygnał jest jedynie rzadkim przypadkiem. W fizyce cząstek elementarnych obowiązuje rygorystyczny próg 5 sigma, gdy prawdopodobieństwo przypadku spada do 1 szansy na 3,5 miliona. Pojedyncza obserwacja w LZ to zbyt mało na otwarcie szampana, ale wystarczająco dużo, by zelektryzować środowisko naukowe.

Zespół badawczy skrupulatnie zweryfikował potencjalne źródła zakłóceń – od promieniowania z pobliskich rur kalibracyjnych, po neutrina w atmosferze. Choć wpływu tła nie da się całkowicie wykluczyć, wygenerowane modele potwierdzają swoistość zaobserwowanego sygnału.

Kluczowe odpowiedzi przyniosą najbliższe miesiące. Zaprezentowany wynik pochodzi z analizy zaledwie 30% zebranych danych. Jeśli po przeanalizowaniu reszty materiału sygnał powtórzy się, a eksperymenty konkurencyjne (takie jak chiński PandaX-4T czy europejski XENONnT) zarejestrują podobne zdarzenia, nauka może znaleźć się na progu najważniejszego odkrycia XXI wieku.

Źródła: Nature, New Scientist, The LZ Dark Matter Experiment

Szukasz inspirujących podróży, fascynujących odkryć i opowieści ze świata nauki? Skorzystaj ze specjalnej oferty prenumeraty magazynów National Geographic Polska i National Geographic Traveler.

Nasza autorka

Magdalena Rudzka

Redaktorka i wydawczyni National-Geographic.pl. Wcześniej związana m.in. z National Geographic Traveler i magazynem pokładowym PLL LOT Kaleidoscope. Z wykształcenia humanistka (MISH i SNS PAN), ale to przyroda stanowi jej największą pasję. Szczególnie bliskie są jej ekosystemy słodkowodne, a prawdziwym „konikiem” są ryby. W National-Geographic.pl pisze o swoich przyrodniczych pasjach, nauce i medycynie. Prywatnie ceni sobie podróże po nieoczywistych kierunkach, ze szczególnym sentymentem do Europy Środkowej i Wschodniej.