Łowcy ciemnej materii mogli wreszcie trafić na jej ślad

Od dziesięcioleci fizycy próbują bezpośrednio wykryć ciemną materię. LUX-ZEPLIN właśnie dostarczył jednego intrygującego sygnału, ale na ogłoszenie odkrycia jest jeszcze zdecydowanie za wcześnie

Eksperyment LUX-ZEPLIN (LZ) w Dakocie Południowej wykorzystuje umieszczony głęboko pod ziemią detektor wypełniony ciekłym ksenonem. Naukowcy próbują za jego pomocą wykryć cząstki ciemnej materii. Wiemy o jej istnieniu dzięki grawitacji, bo gwiazdy i galaktyki poruszają się tak, jakby znajdowało się w nich znacznie więcej materii, niż możemy zobaczyć. Nie wiadomo jednak, z czego ta brakująca materia się składa. Mimo dziesięcioleci poszukiwań żadnej z jej hipotetycznych cząstek nie udało się dotąd bezpośrednio wykryć.

LZ ma wychwycić ślad zderzenia cząstki ciemnej materii ze zwykłą materią. Gdyby cząstka ciemnej materii trafiła w jądro atomu ksenonu, przekazałaby mu część swojej energii i wprawiła je w ruch. Samo zderzenie wywołałoby niewielki błysk światła, a chwilę później drugi sygnał związany z uwolnionymi elektronami. Porównując oba sygnały, fizycy mogą sprawdzać, co właściwie wydarzyło się wewnątrz detektora, i odrzucać zdarzenia wywołane przez znane procesy, na przykład rozpady promieniotwórcze. Umieszczenie LZ głęboko pod ziemią dodatkowo ogranicza liczbę cząstek docierających z kosmosu, które mogłyby zakłócić pomiary.

Właśnie w takich danych naukowcy znaleźli teraz jedno zdarzenie, którego nie potrafią łatwo wyjaśnić.

Według obliczeń badaczy prawdopodobieństwo, że sygnał został wywołany przez znane cząstki, wynosi około 1 proc. „To tylko jedno zdarzenie. Więc kto wie, co naprawdę się tutaj dzieje. Mimo to jest to intrygujące” – powiedział Science News prof. Dan Hooper z University of Wisconsin–Madison.

Znaczenie może mieć pora roku, gdy doszło do tego niezwykłego zdarzenia. Ziemia krąży wokół Słońca, a cały Układ Słoneczny porusza się przez Drogę Mleczną. Latem oba ruchy mogą się na siebie nakładać w taki sposób, że hipotetyczne cząstki ciemnej materii zderzałyby się z atomami w detektorze z większą energią. Niektóre modele zakładają przy tym, że takie oddziaływanie staje się możliwe dopiero po przekroczeniu określonego progu energetycznego. Interesujące zdarzenie zarejestrowano właśnie w czerwcu.

Fizycy mają jednak powody do ostrożności. W historii poszukiwań ciemnej materii pojawiały się już sygnały, które początkowo wyglądały obiecująco, ale później nie zostały potwierdzone. Tak było między innymi w 2020 roku, kiedy eksperyment XENON1T zarejestrował nadmiar zdarzeń mogący wskazywać na istnienie nieznanych cząstek. Późniejsze pomiary wykonane przez nowszy detektor XENONnT nie potwierdziły tej interpretacji.

Od czasu zarejestrowania analizowanego zdarzenia LZ zgromadził co najmniej trzy razy więcej danych. Jeśli źródłem sygnału rzeczywiście była ciemna materia, powinny pojawić się kolejne podobne przypadki. Jeśli ich zabraknie, bardziej prawdopodobne stanie się inne wyjaśnienie. „Ludzie szukają ciemnej materii od bardzo dawna i z coraz większą frustracją” – twierdzi prof. Wick Haxton z University of California w Berkeley. „Byłoby bardzo miło, gdyby po tym zdarzeniu pojawiło się kilka następnych”.

Źródło:
Emily Conover, „Dark matter hunters may have finally spotted a hint of the particles”, Science News, 1 września 2026;

materiały zespołu LUX-ZEPLIN oraz prezentacja przedstawiona podczas konferencji TeV Particle Astrophysics w Tendo w Japonii.

• Nauki ścisłe i nauki o Ziemi