Eksperyment z ciemną materią LZ kontynuuje swoje poszukiwania ciemnej materii, wykorzystując duży zbiornik ksenonowy do wychwytywania interakcji rzadkich cząstek głęboko pod ziemią.
Chociaż nie zidentyfikowano żadnych cząstek ciemnej materii, eksperyment udoskonalił poszukiwania, wykluczając wiele potencjalnych właściwości cząstek.
Tajemnice ciemnej materii
Brakuje większości materii we wszechświecie. Naukowcy uważają, że około 85% materii w kosmosie składa się z niewidzialnej ciemnej materii, którą wykryto jedynie pośrednio na podstawie jej wpływu grawitacyjnego na otoczenie.
Ja i moi koledzy – zespół około 250 naukowców z całego świata pracujący nad eksperymentem z ciemną materią tzw LUX-ZEPLIN (lub LZ) – ogłosiliśmy nasze najnowsze odkrycia z długich poszukiwań, z których dokładnie zbudowana jest ta ciemna materia.
Najnowsze odkrycia w badaniach ciemnej materii
Nie znaleźliśmy jeszcze nieuchwytnych cząstek, z których naszym zdaniem składa się ciemna materia, ale ustaliliśmy najsurowsze jak dotąd ograniczenia dotyczące ich właściwości. Pokazaliśmy również, że nasz detektor działa zgodnie z oczekiwaniami i powinien dawać jeszcze lepsze wyniki w przyszłości.
Wyniki ogłoszono 26 sierpnia o godz Konferencja TeV Particle Astrophysics 2024 w Chicago i Konferencja LIDINE 2024 w São Paulo w Brazylii. Artykuł w czasopiśmie zostanie przesłany do recenzji w nadchodzących tygodniach.
Czym jest ciemna materia?
Kiedy astronomowie przyglądają się Wszechświatowi, dostrzegają dowody na to, że widzialna materia gwiazd, gazu i galaktyk to nie wszystko. Wiele zjawisk, takich jak prędkość wirowania galaktyk i wzór resztkowego blasku galaktyk Wielki Wybuchmożna wytłumaczyć jedynie obecnością dużych ilości jakiejś niewidzialnej substancji – ciemnej materii.
Z czego zatem składa się ta ciemna materia? Obecnie nie znamy żadnego rodzaju cząstki, która mogłaby wyjaśnić te obserwacje astronomiczne.
Istnieją dziesiątki teorii mających na celu wyjaśnienie obserwacji ciemnej materii, począwszy od egzotycznych nieznanych cząstek po maleńkie czarne dziury lub fundamentalne zmiany w naszej teorii grawitacji. Jednak żaden z nich nie został jeszcze udowodniony prawidłowo.
Rola WIMPów w ciemnej materii
Jedna z najpopularniejszych teorii sugeruje, że ciemna materia składa się z tak zwanych „słabo oddziałujących masywnych cząstek” (ang. WIMP). Te stosunkowo ciężkie cząstki mogą powodować obserwowane efekty grawitacyjne, a także – bardzo rzadko – oddziaływać ze zwykłą materią.
Skąd mielibyśmy wiedzieć, czy ta teoria jest poprawna? Cóż, uważamy, że te cząstki muszą cały czas przepływać przez Ziemię. W większości przejdą bez interakcji z czymkolwiek, ale czasami WIMP może zderzyć się bezpośrednio z jądrem atom – i właśnie te kolizje staramy się wykryć.
Wykrywanie ciemnej materii na dużych głębokościach
Eksperyment LZ znajduje się w starej kopalni złota, około 1500 metrów pod ziemią w Południowej Dakocie w USA. Umieszczenie eksperymentu głęboko pod ziemią pomaga wyciąć jak najwięcej promieniowania tła.
Eksperyment składa się z dużego dwuściennego zbiornika wypełnionego siedmioma tonami ciekłego ksenonu, gazu szlachetnego schłodzonego do temperatury 175 kelwinów (–98°C).
Jeśli cząstka ciemnej materii uderzy w jądro ksenonu, powinna wyemitować niewielki błysk światła. Nasz detektor posiada 494 czujniki światła wykrywające te błyski.
Naukowcy kończą budowę układu czujników na potrzeby eksperymentu LZ.
Wyzwania w wykrywaniu ciemnej materii
Oczywiście cząstki ciemnej materii nie są jedyną rzeczą, która może powodować te błyski. Nadal występuje pewne promieniowanie tła z otoczenia, a nawet materiałów zbiornika i samych detektorów.
Dużą częścią ustalenia, czy widzimy oznaki ciemnej materii, jest rozróżnienie tego promieniowania tła od czegoś bardziej egzotycznego. Aby to zrobić, przeprowadzamy szczegółowe symulacje wyników, których spodziewalibyśmy się zobaczyć z ciemną materią i bez niej.
Symulacje te były głównym tematem mojego eksperymentu, który rozpocząłem wraz z doktoratem w 2015 roku. Opracowałem także czujniki monitorujące detektory i byłem odpowiedzialny za integrację i uruchomienie centralnego detektora pod ziemią, który zaczął zbierać dane w 2021.
Mocniej zaciągnij siatkę
Nasze najnowsze wyniki nie wykazują żadnych oznak ciemnej materii. Pozwalają jednak wykluczyć wiele możliwości.
Nie znaleźliśmy śladów cząstek o masach powyżej 1,6 × 10–26 kilogramów, czyli około dziesięć razy cięższy od protonu.
Wyniki te opierają się na obserwacjach z detektora prowadzonych przez 280 dni. Docelowo naszym celem jest zebranie danych z 1000 dni, co pozwoli nam szukać jeszcze bardziej nieuchwytnych potencjalnych cząstek ciemnej materii.
Patrząc w przyszłość: przyszłość eksperymentów z ciemną materią
Jeśli będziemy mieli szczęście, w nowych danych być może odkryjemy ciemną materię. Jeśli nie, zaczęliśmy już planować eksperyment z ciemną materią nowej generacji. XLZD (XENON-LUX-ZEPLIN-DARWIN) konsorcjum zamierza zbudować prawie dziesięciokrotnie większy detektor, który pozwoliłby nam przeszukać jeszcze większą przestrzeń, w której mogą ukrywać się te wszechobecne, ale nieuchwytne cząstki.
Napisane przez Theresę Fruth, wykładowcę fizyki, Uniwersytet w Sydney.
Na podstawie artykułu pierwotnie opublikowanego w Rozmowa.
