Największa zagadka współczesnej fizyki
Ciemna materia pozostaje jedną z największych zagadek współczesnej fizyki. Wiemy, że jej grawitacyjne oddziaływanie wpływa na ruch galaktyk i wielkoskalową strukturę Wszechświata, ale mimo dziesięcioleci poszukiwań nie udało się dotąd bezpośrednio wykryć cząstek, które miałyby ją tworzyć.
Teraz pojawiła się intrygująca wskazówka. Eksperyment LUX-ZEPLIN (LZ), znajdujący się prawie 1,5 kilometra pod ziemią w Południowej Dakocie, zarejestrował pojedyncze zdarzenie, którego nie da się łatwo wyjaśnić znanymi procesami. Naukowcy podkreślają jednak, że nie jest to jeszcze odkrycie ciemnej materii.
Czym jest ciemna materia?
Ciemna materia to hipotetyczna forma materii, która nie emituje, nie odbija ani nie pochłania światła w sposób pozwalający na jej bezpośrednią obserwację.
Jej istnienie wynika przede wszystkim z obserwacji efektów grawitacyjnych. Prędkości obrotowe galaktyk, sposób ich formowania oraz zachowanie wielkich struktur kosmicznych wskazują, że widoczna materia nie wystarcza do wyjaśnienia tego, co obserwujemy.
Według obecnych szacunków ciemna materia może odpowiadać za około 85 proc. całej materii we Wszechświecie. Jej natura pozostaje jednak nieznana.
To właśnie dlatego naukowcy budują niezwykle czułe detektory, których zadaniem jest wychwycenie pojedynczego śladu oddziaływania hipotetycznej cząstki ciemnej materii ze zwykłą materią.
LUX-ZEPLIN – gigantyczny detektor głęboko pod ziemią
Jednym z najważniejszych eksperymentów tego typu jest LUX-ZEPLIN, w skrócie LZ.
Detektor znajduje się w Sanford Underground Research Facility w Południowej Dakocie. Umieszczenie aparatury głęboko pod ziemią nie jest przypadkowe. Gruba warstwa skał chroni eksperyment przed promieniowaniem kosmicznym i innymi cząstkami, które mogłyby zakłócić niezwykle czułe pomiary.
Wewnątrz detektora znajduje się około 10 ton ultraczystego ciekłego ksenonu.
To właśnie ksenon jest materiałem, z którym potencjalna cząstka ciemnej materii mogłaby wejść w interakcję. Jeżeli hipotetyczna cząstka uderzy w atom ksenonu, może powstać niezwykle mały błysk światła oraz sygnał elektronowy.
Zadaniem aparatury jest zarejestrowanie takich zdarzeń i odróżnienie ich od ogromnej liczby potencjalnych zakłóceń.
220 dni poszukiwań
Najnowsza analiza objęła dane zebrane podczas 220 dni pracy detektora, od marca 2023 do kwietnia 2024 roku.
Naukowcy poszukiwali charakterystycznych sygnałów, które mogłyby wskazywać na oddziaływanie hipotetycznych WIMP-ów z atomami ksenonu.
WIMP to skrót od angielskiego określenia Weakly Interacting Massive Particle, czyli hipotetycznej masywnej cząstki słabo oddziałującej. Przez wiele lat WIMP-y były jednymi z najważniejszych kandydatów na cząstki tworzące ciemną materię.
Podczas analizy danych badacze znaleźli jedno niezwykłe zdarzenie, którego nie można łatwo wyjaśnić znanymi procesami zachodzącymi w zwykłej materii.
Jeden sygnał może zmienić fizykę
Wynik jest fascynujący, ale należy zachować dużą ostrożność.
Zaobserwowane zdarzenie ma statystyczną istotność na poziomie 2,6 sigma. Oznacza to, że istnieje około 0,5 proc. prawdopodobieństwa, że podobny wynik pojawiłby się przypadkowo, jeśli w rzeczywistości nie ma żadnego sygnału nowej fizyki.
W fizyce cząstek elementarnych za formalny próg odkrycia przyjmuje się natomiast 5 sigma.
Różnica jest ogromna. Przy poziomie 5 sigma prawdopodobieństwo uzyskania podobnego wyniku przypadkiem wynosi około 1 do 3,5 miliona.
Dlatego naukowcy nie mówią jeszcze: „odkryliśmy ciemną materię”.
Mówią raczej: „znaleźliśmy coś, co warto dokładnie zbadać”.
Co mogło zostać wykryte?
Jeżeli nietypowe zdarzenie rzeczywiście pochodziłoby od cząstki ciemnej materii, jego właściwości byłyby bardzo interesujące.
Analiza sugeruje, że potencjalna cząstka miałaby masę co najmniej 200 razy większą od masy protonu.
Co więcej, obserwacja mogłaby wskazywać na bardziej złożony mechanizm oddziaływania WIMP-ów ze zwykłą materią, niż zakładano w dotychczasowych modelach.
To oznaczałoby nie tylko możliwość znalezienia ciemnej materii, ale także konieczność ponownego przemyślenia części modeli opisujących jej zachowanie.
Dlaczego detektor znajduje się tak głęboko?
Poszukiwanie ciemnej materii przypomina poszukiwanie pojedynczej igły w ogromnym stogu siana.
Problemem nie jest wyłącznie znalezienie potencjalnego sygnału. Trzeba przede wszystkim udowodnić, że nie pochodzi on z innego źródła.
Na Ziemię nieustannie docierają cząstki promieniowania kosmicznego. Występują również naturalne źródła promieniowania i inne procesy mogące imitować poszukiwany sygnał.
Dlatego LUX-ZEPLIN znajduje się głęboko pod ziemią. Dodatkową ochronę zapewnia między innymi specjalny zbiornik z wodą oraz systemy monitorujące i eliminujące potencjalne zakłócenia.
Dzięki temu naukowcy mogą analizować niezwykle rzadkie zdarzenia z większą dokładnością.
Setki naukowców poszukują jednej cząstki
Eksperyment LZ jest ogromnym międzynarodowym przedsięwzięciem.
W projekcie uczestniczy około 250 naukowców i inżynierów z 39 instytucji badawczych z całego świata.
To pokazuje skalę problemu.
Ciemna materia nie jest zagadnieniem, które można rozwiązać za pomocą jednego teleskopu czy pojedynczego eksperymentu. Naukowcy wykorzystują wiele niezależnych metod, aby spróbować ustalić, z czego właściwie zbudowana jest większość materii we Wszechświecie.
Czy to naprawdę pierwszy sygnał ciemnej materii?
Na obecnym etapie odpowiedź brzmi: nie wiadomo.
Pojedyncze zdarzenie jest zbyt słabym dowodem, aby ogłosić odkrycie.
Naukowcy potrzebują kolejnych obserwacji. Jeżeli podobne sygnały będą pojawiać się ponownie i ich właściwości będą zgodne z przewidywaniami dotyczącymi ciemnej materii, znaczenie wyniku będzie systematycznie rosło.
Jeżeli natomiast zdarzenie okaże się przypadkowym tłem lub nieznanym wcześniej źródłem zakłóceń, hipoteza o wykryciu ciemnej materii upadnie.
Właśnie dlatego kolejne dane z LUX-ZEPLIN będą tak ważne.
Co się stanie, jeśli odkrycie zostanie potwierdzone?
Potwierdzenie bezpośredniego sygnału ciemnej materii byłoby jednym z największych odkryć w historii fizyki.
Naukowcy po raz pierwszy mogliby badać nie tylko grawitacyjne skutki obecności ciemnej materii, lecz także jej fizyczną naturę.
Pozwoliłoby to odpowiedzieć na podstawowe pytania:
- jaka cząstka tworzy ciemną materię,
- jaka jest jej masa,
- w jaki sposób oddziałuje ze zwykłą materią,
- czy istnieją inne rodzaje ciemnych cząstek,
- czy obecne modele fizyki wymagają rozszerzenia.
Byłby to przełom porównywalny z odkryciem nowej części znanego nam świata cząstek elementarnych.
Ciemna materia wciąż skrywa swoją tajemnicę
Najnowszy wynik LUX-ZEPLIN jest ekscytujący właśnie dlatego, że znajduje się na granicy między możliwym przełomem a statystycznym przypadkiem.
Naukowcy zarejestrowali zdarzenie, którego nie potrafią łatwo wyjaśnić znanymi procesami. Nie oznacza to jednak jeszcze, że uchwycili cząstkę ciemnej materii. Potrzebne są kolejne dane i niezależne potwierdzenie.
Jeżeli następne obserwacje przyniosą podobne sygnały, może rozpocząć się nowy rozdział w fizyce.
Być może po raz pierwszy uda się wtedy nie tylko udowodnić, że ciemna materia istnieje, ale również dowiedzieć się, czym naprawdę jest tajemnicza substancja, która odgrywa tak ogromną rolę w budowie Wszechświata.