Et anomalt sjokk på 248 keV fremkommer fra LUX-ZEPLIN-data: det bestod bakgrunnsstøytestene, men det er fortsatt ikke nok til en oppdagelse.

Bare ett nedslag, registrert i løpet av 220 dager med observasjon, klarte å komme ut av et område av detektoren der den forventede bakgrunnsstøyen er ekstremt lav. Hendelsen avsatte en energi på 248 kiloelektronvolt og er i samsvar med rekylen i kjernen til et xenonatom. Den kunne ha blitt produsert av en mørk materiepartikkel, men tilgjengelige data lar oss ennå ikke fastslå dette.

Signalet kommer fra LUX-ZEPLIN, eller LZ, et av de mest følsomme instrumentene som er bygget for å søke etter interaksjoner mellom vanlig materie og hypotetisk Massive partikler som virker svakt, de svakt vekselvirkende massive partiklene kjent som WIMP-er. Detektoren opererer nesten en kilometer under overflaten, i Sanford Underground Research Facility av Lead, Sør-Dakota.

La LZ Collaboration har publisert resultatet i forhåndstrykk, derfor før fagfellevurdering, etter å ha utvidet analysen til kjernefysiske rekyler som er mye mer energiske enn konvensjonell forskning. Statistisk signifikans når et lokalt maksimum på 3,4 sigma, men det går ned til 2,6 sigma på global skala med tanke på antallet modeller som er testet. Det er en anomali som er verdt oppmerksomhet, ikke kunngjøringen av den første direkte observasjonen av mørk materie.

Syv tonn med xenon forvandler støtdempere til lys

Astronomiske bevis tyder på at mørk materie utgjør omtrent 85 prosent av materien i universetDens tilstedeværelse utledes av gravitasjonseffektene den utøver på galakser, galaksehoper og lyset som passerer gjennom store kosmiske strukturer. Siden den verken sender ut eller absorberer elektromagnetisk stråling på en observerbar måte, forblir stoffet usynlig for teleskoper, og dets mikroskopiske sammensetning er ukjent.

LZ forsøker en direkte måling. I midten av apparatet er det en tofaset tidsprojeksjonskammer inneholder omtrent syv aktive tonn flytende xenon, en del av et totalt lager på nesten ti tonn. Xenon tilbyr tunge kjerner og et ekstremt rent medium der selv minimale energilagre kan rekonstrueres.

Når en partikkel vekselvirker i væsken, produserer den en initial scintillasjonspuls, kalt S1, og frigjør elektroner. Et elektrisk felt skyver dem mot toppen av kammeret, hvor de ekstraheres inn i et lag med xenongass og genererer et andre lyssignal, S2Den relative intensiteten til de to pulsene, tidsintervallet deres og lysfordelingen lar oss estimere energien og den tredimensjonale plasseringen av interaksjonen.

Denne informasjonen bidrar også til å skille mellom to familier av fenomener. Gamma- og betapartikler har en tendens til å samhandle med xenons elektroner, og produserer elektroniske rekyler; nøytroner eller mulige WIMP-er kan i stedet treffe kjernene direkte, og generere atomrekylerStatistisk separasjon er svært effektivt, men ikke absolutt: sjeldne hendelser, tilfeldige sammentreff og ikke-standard enhetsresponser kan etterligne det ønskede signalet.

Detektoren er plassert dypt under jorden for å redusere strømmen av kosmisk stråling, og er beskyttet av en vanntank og eksterne systemer som er i stand til å identifisere nøytroner og andre partikler. Søket etter mørk materie avhenger dermed ikke bare av målets masse, men også av evnen til å identifisere og avvise nesten alle mulige bakgrunnskilder.

Energivinduet øker fra 55 til omtrent 270 keV

Analysen bruker data samlet mellom 27. mars 2023 og 1. april 2024, for en samlet eksponering på 2,84 tonn per årDen samme prøven hadde allerede blitt studert i søket etter de enkleste WIMP-interaksjonene, hovedsakelig konsentrert ved lave energier. Det nye arbeidet har utvidet området for kjernefysiske rekyler fra 5,4 opp til omtrent 270 keV, mot en tidligere grense nær 55 keV.

Valget lar oss utforske modeller der den forventede energifordelingen ikke avtar like raskt som i den tradisjonelle spinn-uavhengige elastiske interaksjonen. Samarbeidet vurderte operatorer av ikke-relativistisk effektiv feltteori, et matematisk verktøy som beskriver forskjellige måter en WIMP kan koble seg til protoner og nøytroner.

Scenarier av ble også undersøkt uelastisk mørk materieI slike modeller endrer partikkelen tilstand under kollisjonen, og noe av energien brukes til å produsere en litt tyngre versjon av seg selv. For å gjøre denne prosessen mulig, må WIMP-er være tilstrekkelig raske og massive; de ​​resulterende rekylene kan derfor okkupere energiområder som ignoreres av standardanalyser.

Den anomale hendelsen ble rekonstruert kl. 248 keV, med en statistisk usikkerhet på 23 keV og en systematisk usikkerhet av samme størrelsesorden. Morfologien ser ut til å være konsistent med morfologien til en enkelt kjernefysisk rekyl, mens plasseringen faller innenfor det indre volumet som er valgt for å begrense forurensning fra vegger og andre komponenter.

Hvis kollisjonen ble forårsaket av mørk materie, ville tolkningene som vurderes generelt kreve en tung WIMP, med en masse på minst 200 GeV/c², to hundre ganger større enn protonets. Videre ville det ikke være den mest etterspurte elementære interaksjonen, men snarere en kobling avhengig av momentum, spinn eller en uelastisk overgang. Signalet identifiserer derfor ikke en spesifikk partikkel: det er kompatibelt med flere teoretiske konstruksjoner som er analysert.

Fra det lokale maksimumet til det globale tallet på omtrent 2,6 sigma

For noen modeller når inkompatibiliteten mellom den observerte hendelsen og bakgrunnshypotesen lokalt 3,4 sigmaIsolert sett tilsvarer en slik verdi en svært lav sannsynlighet for å oppnå et resultat som er minst like ekstremt gjennom fluktuasjon. Men eksperimentet bekreftet ikke en eneste forhåndsbestemt prediksjon: det utforsket en rekke kombinasjoner av operatorer, masser og energiseparasjoner.

Jo flere hypoteser som undersøkes, desto større er sjansen for at minst én tilfeldig vil produsere en interessant avvik. Dette er den såkalte se-andre steder-effektenSamarbeidet kvantifiserte det ved å bygge simulerte prøver med Monte Carlo-teknikker og praktisk talt gjenta hele forskningen. Etter denne korreksjonen ble den samlede signifikansen funnet å være lik 2,6 sigma, assosiert med en p-verdi i størrelsesorden 0,5 prosent.

Dette betyr ikke at det er 99,5 prosent sannsynlighet for at hendelsen er mørk materie. P-verdien måler hvor uvanlig det ville være å observere et slikt avvik forutsatt at den underliggende modellen er korrekt; den tilordner ikke direkte en sannsynlighet til de ulike fysiske årsakene. Den konvensjonelle terskelen for å hevde en oppdagelse innen partikkelfysikk er fem sigma, mye mer restriktiv.

Forsiktigheten forsterkes av at hele overskuddet avhenger av en enkelt hendelseEn annen interaksjon med lignende egenskaper ville øke interessen, men betydningen ville ikke øke automatisk: energien, posisjonen i detektoren, kompatibiliteten med det samme teoretiske spekteret og utviklingen av den forventede bakgrunnen med den nye eksponeringen ville være avgjørende faktorer.

Rick Gaitskell, professor ved Brown University og talsperson for LZ, utelukket forhastede tolkninger i notatet som ble publisert av University of Sheffield:.

«Vi ønsker ikke å forhåndsdømme konklusjonene med bare én hendelse. Vi hevder ikke å ha observert mørk materie. Men vi har sett noe interessant som vi ønsker å dele med det vitenskapelige samfunnet for å samle innspillene deres.»

Inspeksjoner i bunnen har ennå ikke funnet en årsak

Samarbeidet brukte måneder på å teste mer vanlige forklaringer. Modellen inkluderer interne beta-henfall, nøytrinoer, xenonisotoper, spor av tritium og karbon-14, radiogene og kosmogene nøytroner, tilfeldige sammenfall mellom S1- og S2-signaler, og konfigurasjoner der flere scintillasjoner kan assosieres med en enkelt ionisering.

Hendelser produsert nær overflater, flere interaksjoner feilaktig rekonstruert som enkeltstående, og mulige bølgeformeffekter ble også evaluert. 248 keV-sjokket bestod de anvendte valgene og ble ikke ledsaget av signaler i vetosystemene som ville ha antydet at et nøytron hadde passert gjennom. Dette reduserer noen kjente forklaringer, uten å demonstrere at noen sjelden prosess eller modelleringsfeil kunne ha generert det.

Aaron Manalaysay, Lawrence-fysiker Berkeley nasjonale laboratorium og leder av LZs institusjonelle styre, bemerket at anomale hendelser ikke er uventede, men vanligvis avslører sin opprinnelse etter grundigere inspeksjon.

«Dette er det første eksemplet, blant alle eksperimentene jeg har jobbet med, på en anomal hendelse som ser ut til å være gyldig i alle henseender. Vi prøver fortsatt å forstå om vi kanskje har gått glipp av en sjelden underliggende mekanisme, men det er spennende å lure på om dette kan være det første hintet om en observasjon av mørk materie.»

Situasjonen illustrerer en strukturell begrensning ved eksperimenter med svært få antall forsøk. Når det ønskede fenomenet forventes å manifestere seg bare noen få ganger i løpet av driftsår, hver eneste interaksjon får vitenskapelig vektSamtidig tillater ikke en populasjon av et enkelt element oss å rekonstruere et spektrum, verifisere en tidsmessig fordeling eller sammenligne flere hendelser med hverandre.

En enkelt hendelse er ikke nok til å rekonstruere et fysisk signal

Sam Eriksen, seniorforsker vedUniversitetet i Bristol og hovedforfatter av studien, forklarte at analysen utforsket et tidligere uundersøkt område innenfor det samme datautvalget. Teamet brukte ytterligere måneder på å rekonstruere alle kjente årsaker som kan forårsake underliggende hendelser.

«Vi kjenner detektoren vår og dens komponenter så godt at selv en enkelt uforklarlig hendelse, som den vi fant, er viktig. Vi forventer at interaksjoner med mørk materie vil være ekstremt sjeldne, så selv noen få hendelser kan markere den første deteksjonen av mørk materie fra WIMP.»

Uavhengig verifisering kan komme fra andre xenon-detektorer, inkludert XENONnT ved Gran Sasso National Laboratories. Sammenlignbarheten vil imidlertid avhenge av størrelsen på de respektive energivinduene, terskler, eksponeringer og modeller som analyseres. En lignende hendelse observert av et annet apparat ville være spesielt verdifull fordi den ville redusere sannsynligheten for en spesifikk instrumentell opprinnelse av LZ.

Dan Tovey, professor og leder av LZ-gruppen vedUniversitetet i Sheffield, understreket at signalet så langt har bestått alle tester som er utført for å avgjøre om det skyldtes mer vanlige prosesser. Den eneste måten å bestemme dets natur på er imidlertid å undersøke en større mengde data.

«Med bare én hendelse er det umulig å konkludere med at vi faktisk observerer de første tegnene på ny fysikk. Det er gjort en enorm mengde arbeid for å bekrefte at hendelsen ikke er et resultat av mer vanlige prosesser, og så langt har den bestått alle tester. Den eneste måten å være sikker på er å analysere flere data.»

LZ fortsetter å samle observasjoner i Sør-Dakota og har allerede den største prøven som noen gang er produsert av WIMP-jakteksperimentet. Fremtidige data vil avsløre om anomalien vil forbli en isolert hendelse, avta i betydning med mer presis kunnskap om bakgrunnen, eller bli etterfulgt av andre rekyler med sammenlignbar energi og egenskaper. Bare denne mulige repetisjonen vil forvandle et enkelt xenonblits til et funn om mørk materies natur.

Her er tre innsikter som kan interessere deg:

SNOLAB, to kilometer under jorden, vitenskapen passerer gjennom data
Euclid, ESAs oppdrag for å jakte på de mørke kreftene i universet
Disse "mørke virkelighetene" fulle av (nye) mysterier om kosmos