Nowe wyniki z najczulszego na świecie detektora ciemnej materii wyznaczają najlepsze w historii ograniczenia dla cząstek zwanych WIMP, wiodących kandydatów na to, co składa się na niewidzialną masę naszego Wszechświata.
- Dzięki danym z 280 dni w ramach współpracy LUX-ZEPLIN (LZ) przeprowadzono wiodące na świecie poszukiwania słabo oddziałujących cząstek masywnych (WIMP) w obszarach, których nie badał wcześniej żaden eksperyment.
- Nowy wynik jest prawie pięć razy lepszy niż poprzedni najlepiej opublikowany wynik na świecie i nie zawiera dowodów na istnienie WIMP powyżej masy 9 GeV/c2.
- Badacze zaledwie zarysowali możliwości LZ. Dzięki wyjątkowej czułości detektora i zaawansowanym technikom analizy współpraca ma na celu odkrycie ciemnej materii, jeśli istnieje w zasięgu eksperymentu, oraz zbadanie innych rzadkich zjawisk fizycznych.
Ciemna Materia i LUX-ZEPLIN (LZ)
Odkrycie natury ciemnej materii, niewidzialnej substancji, która stanowi większość masy naszego wszechświata, jest jedną z największych zagadek fizyki. Nowe wyniki z najczulszego na świecie detektora ciemnej materii, LUX-ZEPLIN (LZ) zawęziły możliwości dla jednego z wiodących kandydatów na ciemną materię: słabo oddziałujących cząstek masywnych, czyli WIMP.
LZ, kierowane przez Laboratorium Narodowe Lawrence Berkeley Departamentu Energii (Berkeley Lab), poluje na ciemną materię w jaskini znajdującej się prawie milę pod ziemią w Sanford Underground Research Facility w Południowej Dakocie. Nowe wyniki eksperymentu badają słabsze interakcje ciemnej materii niż kiedykolwiek wcześniej badano i jeszcze bardziej ograniczają potencjalne WIMP.
Osiągnięcia i ograniczenia LZ
„Są to nowe, wiodące na świecie ograniczenia ze znacznym marginesem dotyczącym ciemnej materii i WIMP” – powiedział Chamkaur Ghag, rzecznik LZ i profesor University College London (UCL). Zauważył, że detektor i techniki analityczne działają nawet lepiej, niż oczekiwano w ramach współpracy. „Gdyby WIMP znajdowały się w przeszukiwanym przez nas regionie, moglibyśmy coś o nich zdecydowanie powiedzieć. Wiemy, że mamy czułość i narzędzia, aby sprawdzić, czy one tam są, gdy poszukujemy niższych energii i gromadzimy większość czasu trwania eksperymentu”.
W ramach współpracy nie znaleziono dowodów na istnienie WIMP o masie powyżej 9 gigaelektronowoltów/c2 (GeV/c2). (Dla porównania masa protonu jest nieco mniejsza niż 1 GeV/c2.) Czułość eksperymentu na słabe interakcje pomaga badaczom odrzucić potencjalne modele ciemnej materii WIMP, które nie pasują do danych, pozostawiając WIMP znacznie mniej miejsc do ukrycia. Nowe wyniki zaprezentowano 26 sierpnia na dwóch konferencjach poświęconych fizyce: Astrofizyka cząstek TeV 2024 w Chicago, Illinois i LIDYNA 2024 w São Paulo w Brazylii. W nadchodzących tygodniach ukaże się artykuł naukowy.
Zagłęb się w eksperymentalne podejście LZ
Wyniki analizują dane z 280 dni: nowy zestaw 220 dni (zebranych między marcem 2023 r. a kwietniem 2024 r.) w połączeniu z 60 wcześniejszymi dniami z pierwszego uruchomienia LZ. Eksperyment ma zebrać dane z 1000 dni i zakończyć się w 2028 r.
„Jeśli pomyśleć o poszukiwaniu ciemnej materii jak o poszukiwaniu zakopanego skarbu, kopaliśmy prawie pięć razy głębiej niż ktokolwiek inny w przeszłości” – powiedział Scott Kravitz, zastępca koordynatora fizyki w LZ i profesor na Uniwersytecie Teksasu w Austina. „Tego nie da się zrobić milionem łopat – można to zrobić wymyślając nowe narzędzie”.
Innowacje i techniki w wykrywaniu ciemnej materii
Czułość LZ wynika z niezliczonych sposobów, w jakie detektor może redukować tło, czyli fałszywe sygnały, które mogą podszywać się pod interakcję ciemnej materii lub ukrywać ją. Głęboko pod ziemią detektor jest osłonięty przed promieniami kosmicznymi pochodzącymi z kosmosu. Aby ograniczyć naturalne promieniowanie pochodzące z przedmiotów codziennego użytku, LZ zbudowano z tysięcy ultraczystych części o niskim promieniowaniu. Detektor jest zbudowany jak cebula, a każda warstwa albo blokuje promieniowanie zewnętrzne, albo śledzi interakcje cząstek, aby wykluczyć naśladownictwo ciemnej materii. Nowe, wyrafinowane techniki analizy pomagają wykluczyć interakcje w tle, szczególnie te powodowane przez najczęstszego winowajcę: radon.
Wynik ten jest także pierwszym przypadkiem zastosowania przez LZ „salania” – techniki polegającej na dodawaniu fałszywych sygnałów WIMP podczas gromadzenia danych. Kamuflując prawdziwe dane, aż do ich „odsolenia” na samym końcu, badacze mogą uniknąć nieświadomych uprzedzeń i powstrzymać się od nadmiernej interpretacji lub zmiany swojej analizy.
„Przesuwamy granicę reżimu, w którym ludzie wcześniej nie szukali ciemnej materii” – powiedział Scott Haselschwardt, koordynator fizyki LZ i niedawny Chamberlain Fellow w Berkeley Lab, który obecnie jest adiunktem na Uniwersytecie Michigan. „Istnieje ludzka tendencja do dostrzegania wzorców w danych, dlatego wkraczając w nowy system, w którym nie ma żadnych uprzedzeń, jest naprawdę ważne. Jeśli dokonujesz odkrycia, chcesz zrobić to dobrze”.
Znaczenie ciemnej materii
Szacuje się, że ciemna materia, nazwana tak, ponieważ nie emituje, nie odbija ani nie absorbuje światła, stanowi 85% masy Wszechświata, ale nigdy nie została bezpośrednio wykryta, chociaż pozostawiła swoje ślady w wielu obserwacjach astronomicznych. Nie istnielibyśmy bez tego tajemniczego, ale podstawowego elementu wszechświata; masa ciemnej materii przyczynia się do przyciągania grawitacyjnego, które pomaga galaktykom tworzyć się i utrzymywać razem.
LZ wykorzystuje 10 ton ciekłego ksenonu, aby uzyskać gęsty, przezroczysty materiał, z którym mogą potencjalnie zderzyć się cząsteczki ciemnej materii. Istnieje nadzieja, że WIMP uderzy w jądro ksenonu, powodując jego ruch, podobnie jak uderzenie bili białej w grze w bilard. Zbierając światło i elektrony emitowane podczas interakcji, LZ przechwytuje potencjalne sygnały WIMP wraz z innymi danymi.
„Pokazaliśmy, jak silni jesteśmy jako maszyna do wyszukiwania WIMP, i zamierzamy nadal działać i stawać się jeszcze lepsi, ale za pomocą tego detektora możemy zrobić wiele innych rzeczy” – powiedziała Amy Cottle, kierownik WIMP poszukiwań i adiunkt na UCL. „Następnym etapem jest wykorzystanie tych danych do przyjrzenia się innym interesującym i rzadkim procesom fizycznym, takim jak rzadkie rozpady atomów ksenonu, podwójny rozpad beta bez neutrin, neutrina boru-8 ze Słońca i inne fizyki wykraczające poza Model Standardowy. A to oprócz badania niektórych z najciekawszych i wcześniej niedostępnych modeli ciemnej materii z ostatnich 20 lat.”
Przyszłe kierunki i wspólne wysiłki
LZ to efekt współpracy około 250 naukowców i inżynierów z 38 instytucji w Stanach Zjednoczonych, Wielkiej Brytanii, Portugalii, Szwajcarii, Korei Południowej i Australii; większość prac związanych z budowaniem, obsługą i analizowaniem ustanawiającego rekord eksperymentu wykonują badacze rozpoczynający karierę. Uczestnicy projektu już nie mogą się doczekać analizy kolejnego zestawu danych i wykorzystania nowych sztuczek analitycznych do poszukiwania ciemnej materii o jeszcze mniejszej masie. Naukowcy zastanawiają się także nad potencjalnymi ulepszeniami w celu dalszego udoskonalenia LZ i planują budowę detektora ciemnej materii nowej generacji o nazwie XLZD.
„Nasza zdolność poszukiwania ciemnej materii poprawia się w tempie szybszym niż prawo Moore’a” – powiedział Kravitz. „Jeśli spojrzysz na krzywą wykładniczą, wszystko, co było wcześniej, jest niczym. Poczekaj, aż zobaczysz, co będzie dalej.
Spotkanie: Astrofizyka cząstek TeV 2024
LZ jest wspierany przez Departament Energii Stanów Zjednoczonych, Biuro Nauki, Biuro Fizyki Wysokich Energii i Narodowe Centrum Obliczeniowe Badań nad Energią, obiekt użytkownika Biura Nauki DOE. LZ jest także wspierana przez Radę ds. Obiektów Naukowych i Technologicznych Wielkiej Brytanii; Portugalska Fundacja na rzecz Nauki i Technologii; Szwajcarska Narodowa Fundacja Nauki i Instytut Nauk Podstawowych w Korei. Wsparcia LZ udzieliło ponad 38 uczelni wyższych i zaawansowanych ośrodków badawczych. Współpraca LZ potwierdza pomoc ze strony Ośrodka Badań Podziemnych w Sanford.
