V iskanju temne snovi naleteli na nenavaden signal

Morda je razlaga banalna, morda pa smo na začetku fizikalne revolucije. Te dni je završalo, da so globoko pod goro Gran Sasso v Italiji raziskovalci, ki iščejo izmuzljivo temno snov, zaznali nerazložljiv signal. V eksperimentu XENON1T se je zgodila serija presenetljivih dogodkov, ko so opazili presežek odrinjenih elektronov pri nizkih energijah.
 
So morda našli potencialni delec temne snovi - aksion? So odkrili do zdaj neznano lastnost nevtrinov? Ali pa bi vse lahko razložil nadležni šum ozadja, ki ga bodo morali za prave rezultate v nadaljnjih eksperimentih odpraviti?
 
Že sami raziskovalci, ki so opažanja objavili v še nerecenzirani študiji na portalu arXiv, opozarjajo, da ni mogoče trditi, da so našli temno snov.

»Pri vsakem poskusu je tako. Vsakič gre za bitko med tem, kar hočeš izmeriti, in tako imenovanim ozadjem. Nekaj so izmerili, ali gre za signal odkritja ali odtis ozadja, bodo morali preveriti z boljšo napravo. Eksperimente, pri katerih meriš nekaj zelo redkega, je tipično treba delati dolgo časa,« pojasni fizik osnovnih delcev dr. Peter Križan, ki je zaposlen na Institutu Jožef Stefan in kot profesor na Fakulteti za matematiko in fiziko.
 
»A če je to, kar so izmerili, pravi signal, potem je to izjemno odkritje,« še poudari.
 
»Vsak eksperiment naj bi dobro nadzoroval ozadja, to je prisotnost signalov zaradi že znanih procesov. V tem primeru kolaboracija navaja kot eno izmed možnih ozadij beta razpad tritija, ki bi lahko bil prisoten v eksperimentu,« nadaljuje dr. Miha Nemevšek z odseka za teoretično fiziko na Institutu Jožef Stefan.

Vedo, da je, ne vedo, kaj je

 
V italijanskem podzemnem laboratoriju so v eksperimentu, delujočem med 2016 in 2018, skušali zaznati temno snov, ki sestavlja 27 odstotkov vsega v vesolju (68 odstotkov je temne energije, 5 odstotkov je navadne snovi) oziroma več kot 85 odstotkov vse snovi v vesolju. Da temna snov, ki ne odbija oziroma oddaja svetlobe, od tu tudi njeno ime, res obstaja, znanstveniki vedo zaradi njenih gravitacijskih učinkov, ki jih ima denimo v jatah galaksij.
 
Ne vedo pa, iz česa je sestavljena. Znanstveniki so si tako zamislili hipotetični delec WIMP - Weakly Interacting Massive Particles ali šibko interagirajoč masivni delec. »Do zdaj vemo, da temna snov čuti gravitacijsko silo, zato domnevamo, da morajo delci biti masivni, hkrati pa predpostavljamo, da z navadno snovjo interagirajo ne le gravitacijsko, ampak tudi šibko ali pa preko do sedaj neznane interakcije. Če bi interagirali z elektromagnetno interakcijo, bi jih videli,« pojasni Križan.
 
»Fizika osnovnih delcev pozna standardni model, s katerim opišemo praktično vse oziroma vsaj izredno natančno skoraj vse, kar smo do zdaj izmerili. A vemo, da model ne more biti končna teorija, saj poznamo temno snov. Delci te temne snovi niso v standardnem modelu, torej ne popisuje bistvenega elementa vesolja. V fiziki osnovnih delcev, sploh potem, ko so v Cernu leta 2012 našli manjkajoči Higgsov bozon, iščemo pojave in delce izven modela, med temi tudi delec temne snovi,« še pove.


 
A v italijanskem eksperimentu WIMP-ov niso našli. A morda so našli kak drug delec, saj je XENON1T izjemno občutljiva naprava. Lani so v reviji Nature objavili, da so z eksperimentom odkrili najbolj redek jedrski razpad, kdajkoli neposredno izmerjen.

Ksenon in delci

 
Kako torej deluje eksperiment? Detektor je napolnjen s 3,2 toni ultračistega tekočega ksenona, ki zazna interakcije delcev. Ko delci priletijo v detektor in preidejo snov, iz atoma ksenona izbijejo elektrone, in tako ustvarijo signale svetlobe (to so tako imenovani signali). Večinoma se to zgodi zaradi interakcije z delci, ki jih že poznamo - mioni, kozmični žarki, nevtrini, zato so znanstveniki lahko natančno določili, koliko teh signalov lahko pripišejo ozadju (torej že znanim pojavom). V tokratni študiji so ugotovili, da so zaznali 53 signalov več od pričakovanih 232.
 
Višek je sicer statistično premajhen, da bi lahko potrdili obstoj nečesa novega, a dovolj velik, da zbudi pozornost.  
 


Od kod odstopanje? Ena izmed treh možnih razlag je, da so »ujeli« aksion s Sonca (ali drugih zvezd), ki so prav tako potencialni hipotetični delci temne snovi. »Tipični kandidat WIMP je težji, približno od deset do stokrat težji od mase protona. Aksioni so tipično precej lažji, dosti manjši in lažji od milijardinke mase protona. Prav tako so lastnosti aksiona, kot so na primer sklopitve s poznanimi delci, recimo fotoni in elektroni, tipično precej drugačne in šibkejše od kandidatov WIMP ,« pojasni Nemevšek.
 
Morda je šlo za nevtrine, na bilijone teh malih delcev vsako sekundo preide naša telesa. V eksperimentu se je morda pokazala lastnost, ki je drugačna od lastnosti nevtrinov, ki so del standardnega modela. »Potencialna razlaga, ki jo omenja XENON1T je magnetni moment nevtrinov, ki pa naj bi bili precej večji od naivno pričakovane vrednosti. Obe potencialni razlagi, solarni aksioni in magnetni moment nevtrinov, so v takšni obliki, kot jih predlaga članek XENON1T, izključeni zaradi drugih astrofizikalnih opazovanj,« doda Nemevšek.
 
Tretja razlaga pa je, da se je zgodilo »onesnaženje« ozadja - da se je v XENON1T pojavil tritij, to je radioaktiven izotop vodika, katerega jedro vsebuje en proton in dva nevtrona.  
 
Križan razloži, da so v eksperimentu našli presežek iz atomov frcnjenih elektronov. »Lahko jih vidijo v detektorju, ni pa jasno, kaj jih je povzročilo.«
 
Za zdaj so vse možnosti odprte. A znanstveniki že nadgrajujejo detektor v XENONnT. V prihodnji različici bi lahko dobili dokončni odgovor.