Σκοτεινή ύλη: Το πείραμα LUX-ZEPLIN κατέγραψε μυστηριώδες σήμα

Ένα ασυνήθιστο γεγονός που ενδέχεται να συνδέεται με τη σκοτεινή ύλη κατέγραψε το πείραμα LUX-ZEPLIN (LZ), προσφέροντας στους επιστήμονες ένα νέο στοιχείο στην προσπάθεια εντοπισμού των σωματιδίων που θεωρείται ότι αποτελούν μεγάλο μέρος της ύλης του Σύμπαντος.

Το γεγονός αφορά μια πυρηνική ανάκρουση ενέργειας περίπου 248 keV, η οποία εντοπίστηκε σε περιοχή όπου αναμένονταν ελάχιστα σήματα από γνωστές πηγές υποβάθρου. Παρά τους ελέγχους που πραγματοποιήθηκαν, οι ερευνητές δεν κατάφεραν να δώσουν μια εύκολη εξήγηση για την προέλευσή του.

Το αποτέλεσμα παρουσιάζει στατιστική σημαντικότητα 2,6 sigma, γεγονός που σημαίνει ότι υπάρχει περίπου 0,5% πιθανότητα ένα τέτοιο αποτέλεσμα να προκύψει από τις γνωστές πηγές υποβάθρου.

Ωστόσο, το εύρημα δεν θεωρείται ανακάλυψη. Στη σωματιδιακή φυσική απαιτείται συνήθως επίπεδο 5 sigma για να χαρακτηριστεί ένα αποτέλεσμα ως επιστημονικά επαρκές για ανακάλυψη.

Ένα ασυνήθιστο γεγονός στον ανιχνευτή

Το συγκεκριμένο συμβάν παρέμεινε στην ανάλυση αφού οι επιστήμονες εξέτασαν τις πιθανές γνωστές πηγές υποβάθρου.

Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό για ένα πείραμα όπως το LZ, το οποίο έχει σχεδιαστεί ώστε να εντοπίζει εξαιρετικά σπάνιες αλληλεπιδράσεις. Οι ερευνητές αναζητούν ουσιαστικά μια πολύ μικρή «υπογραφή» που θα μπορούσε να δημιουργηθεί όταν ένα σωματίδιο σκοτεινής ύλης συγκρουστεί με έναν πυρήνα κανονικής ύλης.

Το γεγονός είναι συμβατό με την υπόθεση ενός WIMP (Weakly Interacting Massive Particle), μιας κατηγορίας υποθετικών σωματιδίων που εδώ και χρόνια αποτελεί έναν από τους βασικούς υποψήφιους για τη σκοτεινή ύλη.

Γιατί ενδιαφέρει τόσο πολύ τους επιστήμονες

Η σκοτεινή ύλη δεν μπορεί να παρατηρηθεί άμεσα με τα σημερινά μέσα, καθώς δεν αλληλεπιδρά με το φως όπως η κανονική ύλη. Η ύπαρξή της προκύπτει κυρίως από τις βαρυτικές επιδράσεις που παρατηρούνται σε γαλαξίες και σε μεγαλύτερες κοσμικές δομές.

Παρά τις δεκαετίες αναζητήσεων, οι επιστήμονες δεν έχουν καταφέρει μέχρι σήμερα να καταγράψουν άμεσα ένα σωματίδιο σκοτεινής ύλης.

Γι’ αυτό και ένα μεμονωμένο γεγονός που δεν εξηγείται εύκολα από το γνωστό υπόβαθρο μπορεί να αποκτήσει ιδιαίτερη σημασία, ακόμη κι αν απέχει πολύ από το επίπεδο που απαιτείται για μια επιστημονική ανακάλυψη.

Το LZ λειτουργεί βαθιά κάτω από τη Γη

Το πείραμα LUX-ZEPLIN βρίσκεται στο Sanford Underground Research Facility στη Νότια Ντακότα των ΗΠΑ, σχεδόν 1,5 χιλιόμετρο κάτω από την επιφάνεια της Γης.

Το μεγάλο βάθος δεν είναι τυχαίο. Η τοποθέτηση του ανιχνευτή κάτω από τη Γη περιορίζει την επίδραση των κοσμικών ακτίνων, οι οποίες θα μπορούσαν να δημιουργήσουν σήματα που θα μπέρδευαν την αναζήτηση της σκοτεινής ύλης.

Στην καρδιά του ανιχνευτή βρίσκονται περίπου 10 τόνοι υπερκαθαρού υγρού ξένου. Μια πιθανή αλληλεπίδραση σωματιδίου με έναν πυρήνα ξένου μπορεί να προκαλέσει μικρές ποσότητες φωτός και ηλεκτρικού σήματος, τις οποίες καταγράφουν ειδικά όργανα.

Το σενάριο του WIMP

Εάν το καταγεγραμμένο γεγονός σχετίζεται πράγματι με σκοτεινή ύλη, οι υπολογισμοί δείχνουν προς ένα WIMP με μάζα τουλάχιστον 200 GeV/c², δηλαδή περισσότερες από 200 φορές τη μάζα ενός πρωτονίου.

Τα WIMPs θεωρείται ότι θα μπορούσαν να αλληλεπιδρούν εξαιρετικά ασθενώς με την κανονική ύλη, γεγονός που εξηγεί γιατί η άμεση ανίχνευσή τους είναι τόσο δύσκολη.

Το συγκεκριμένο γεγονός βρίσκεται επίσης σε ενεργειακή περιοχή που παρουσιάζει ενδιαφέρον για τους ερευνητές, καθώς μπορεί να προσφέρει πληροφορίες σχετικά με διαφορετικούς τρόπους με τους οποίους θα μπορούσε να αλληλεπιδρά η σκοτεινή ύλη με την κανονική ύλη.

Η επόμενη «δοκιμή» θα είναι τα νέα δεδομένα

Οι επιστήμονες έχουν ήδη πραγματοποιήσει εκτεταμένους ελέγχους προκειμένου να αποκλείσουν γνωστές πηγές υποβάθρου, εξετάζοντας τόσο τη λειτουργία του ανιχνευτή όσο και το περιβάλλον του.

Παρόλα αυτά, ένα και μόνο γεγονός δεν αρκεί για να αποδειχθεί η ύπαρξη σκοτεινής ύλης.

Το κρίσιμο στοιχείο θα είναι εάν το LZ καταγράψει στο μέλλον περισσότερα γεγονότα με παρόμοια χαρακτηριστικά. Εάν συμβεί αυτό, η στατιστική σημαντικότητα του σήματος θα μπορούσε να αυξηθεί σημαντικά και να αλλάξει την εικόνα.

Εάν, αντίθετα, δεν εμφανιστούν νέα αντίστοιχα γεγονότα, το συγκεκριμένο συμβάν μπορεί να αποδειχθεί μια εξαιρετικά σπάνια διακύμανση του υποβάθρου.

Για την ώρα, λοιπόν, οι επιστήμονες δεν μπορούν να πουν ότι «βρήκαν τη σκοτεινή ύλη». Το LUX-ZEPLIN έχει καταγράψει όμως ένα από τα πιο ενδιαφέροντα γεγονότα της μέχρι σήμερα αναζήτησης, κρατώντας ανοιχτό το ενδεχόμενο ότι πίσω από αυτό μπορεί να κρύβεται ένα σωματίδιο που δεν έχει παρατηρηθεί ποτέ άμεσα.