LUX-ZEPLIN-datasta paljastuu poikkeava 248 keV:n shokki: se läpäisi taustamelun testit, mutta ei vieläkään riitä löydökseen

Vain yksi 220 päivän havaintojakson aikana kirjattu isku onnistui lähtemään ilmaisimen alueelta, jossa odotettu taustakohina on erittäin alhainen. Tapahtuman energia oli 248 kiloelektronivolttia ja on yhdenmukaista ksenonatomin ytimen palautumisen kanssa. Sen olisi voinut tuottaa pimeän aineen hiukkas, mutta saatavilla olevat tiedot eivät vielä mahdollista tämän vahvistamista.

Signaali tulee LUX-ZEPLIN, eli LZ, yksi herkimmistä instrumenteista, jotka on rakennettu etsimään tavallisen aineen ja hypoteettisen aineen välisiä vuorovaikutuksia Heikosti vuorovaikutuksessa massiiviset hiukkaset, heikosti vuorovaikuttavat massiiviset hiukkaset, jotka tunnetaan nimellä WIMP. Ilmaisin toimii lähes mailin syvyydessä maanpinnan alapuolella, Sanfordin maanalainen tutkimuslaitos Leadistä, Etelä-Dakotasta.

La LZ Collaboration on julkaissut tuloksen preprint-muodossa, siis ennen vertaisarviointia, sen jälkeen kun analyysiä oli laajennettu koskemaan paljon energisempiä ydinrekyytejä kuin perinteisessä tutkimuksessa. Tilastollinen merkitsevyys saavuttaa paikallisen maksimin 3,4 sigmaa, mutta se laskee siihen, 2,6 sigmaa maailmanlaajuisesti ottaen huomioon testattujen mallien määrän. Se on huomionarvoinen poikkeama, ei ilmoitus ensimmäisestä suorasta pimeän aineen havainnosta.

Seitsemän tonnia ksenonia muuttaa iskut valoksi

Tähtitieteelliset todisteet osoittavat, että pimeä aine muodostaa noin 85 prosenttia maailmankaikkeuden aineestaSen läsnäolo päätellään sen galakseihin, galaksijoukkoihin ja suurten kosmisten rakenteiden läpi kulkevaan valoon kohdistamista gravitaatiovaikutuksista. Koska se ei lähetä eikä absorboi sähkömagneettista säteilyä havaittavalla tavalla, aine pysyy näkymätöntä kaukoputkille, ja sen mikroskooppinen koostumus on tuntematon.

LZ yrittää suoraa mittausta. Laitteen keskellä on kaksivaiheinen aikaprojektiokammio sisältää noin seitsemän aktiivista tonnia nestemäistä ksenonia, mikä on osa lähes kymmenen tonnin kokonaisvarastosta. Ksenonissa on raskaat ytimet ja erittäin puhdas väliaine, jossa jopa minimaaliset energiavarastot voidaan rekonstruoida.

Kun hiukkanen reagoi nesteessä, se tuottaa aluksi tuikepulssin, jota kutsutaan S1ja vapauttaa elektroneja. Sähkökenttä työntää niitä kammion yläosaa kohti, missä ne imeytyvät ksenonkaasukerrokseen ja tuottavat toisen valosignaalin, S2Kahden pulssin suhteellinen intensiteetti, niiden aikaväli ja valon jakautuminen mahdollistavat vuorovaikutuksen energian ja kolmiulotteisen sijainnin arvioinnin.

Tämä tieto auttaa myös erottamaan kaksi ilmiöryhmää. Gamma- ja beetahiukkaset yleensä vuorovaikuttavat ksenonin elektronien kanssa tuottaen elektroniset rekyylit; neutronit tai mahdolliset WIMP:t voivat sen sijaan osua suoraan ytimiin ja tuottaa ydinaseiden rekyylitTilastollinen erottelu on erittäin tehokasta, mutta ei absoluuttista: harvinaiset tapahtumat, satunnaiset yhteensattumat ja epästandardit laitevasteet voivat jäljitellä haluttua signaalia.

Ilmaisin sijaitsee syvällä maan alla kosmisten säteiden virtauksen vähentämiseksi, ja sitä suojaavat vesisäiliö ja ulkoiset järjestelmät, jotka pystyvät tunnistamaan neutroneja ja muita hiukkasia. Pimeän aineen etsintä ei siis riipu pelkästään kohteen massasta, vaan myös kyvystä tunnistaa ja hylätä lähes kaikki mahdolliset taustasäteilyn lähteet.

Energiaikkuna kasvaa 55 keV:stä noin 270 keV:iin

Analyysissä käytetään tietoja, jotka on kerätty seuraavien alueiden välillä: 27. maaliskuuta 2023 ja 1. huhtikuuta 2024, kokonaisaltistuksen ollessa 2,84 tonnia vuodessaSamaa näytettä on jo tutkittu etsittäessä yksinkertaisimpia WIMP-vuorovaikutuksia, jotka keskittyvät pääasiassa matalille energioille. Uusi työ on laajentanut ydinten rekyylien aluetta 5,4:stä noin 270 keV:iin asti, aiempaa lähellä 55 keV:n rajaa vastaan.

Valinta antaa meille mahdollisuuden tutkia malleja, joissa odotettu energiajakauma ei laske yhtä nopeasti kuin perinteisessä spinistä riippumattomassa elastisessa vuorovaikutuksessa. Yhteistyössä tarkasteltiin funktion operaattoreita epärelativistinen efektiivisen kentän teoria, matemaattinen työkalu, joka kuvaa erilaisia ​​tapoja, joilla WIMP voi kytkeytyä protonien ja neutronien kanssa.

Myös skenaarioita tarkasteltiin joustamaton pimeä aineTällaisissa malleissa hiukkasen olomuoto muuttuu törmäyksen aikana, ja osa energiasta käytetään hieman painavamman version tuottamiseen itsestään. Jotta tämä prosessi olisi mahdollinen, WIMP-hiukkasten on oltava riittävän nopeita ja massiivisia; syntyvät palautumiset voivat siksi vallata energia-alueita, joita standardianalyysit eivät huomioi.

Poikkeava tapahtuma rekonstruoitiin klo. 248 keV, tilastollisella epävarmuudella 23 keV ja systemaattisella epävarmuudella samaa suuruusluokkaa. Sen morfologia näyttää olevan yhdenmukainen yksittäisen ydinrekyylin kanssa, kun taas sen sijainti sijoittuu sisäiseen tilavuuteen, joka on valittu rajoittamaan seinien ja muiden komponenttien kontaminaatiota.

Jos törmäyksen aiheutti pimeä aine, tulkinnat vaatisivat yleensä raskasta WIMP:iä, jonka massa on vähintään 200 GeV/c², kaksisataa kertaa suurempi kuin protonin. Lisäksi se ei olisi useimmin etsitty alkeisvuorovaikutus, vaan pikemminkin liikemäärästä, spinistä tai joustamattomasta siirtymästä riippuva kytkentä. Signaali ei siis yksilöi tiettyä hiukkasta: se on yhteensopiva useiden analysoitujen teoreettisten rakenteiden kanssa.

Paikallisesta maksimista globaaliin lukuun noin 2,6 sigmaa

Joissakin malleissa havaitun tapahtuman ja pelkkään taustaan ​​perustuvan hypoteesin välinen yhteensopimattomuus ulottuu paikallisesti 3,4 sigmaaYksittäin tarkasteltuna tällainen arvo vastaa hyvin pientä todennäköisyyttä saada vähintään yhtä äärimmäinen tulos fluktuaation kautta. Mutta koe ei vahvistanut yhtäkään ennalta määrättyä ennustetta: siinä tutkittiin lukuisia operaattoreiden, massojen ja energiajakaumien yhdistelmiä.

Mitä useampia hypoteeseja tutkitaan, sitä suurempi on todennäköisyys, että ainakin yksi niistä tuottaa satunnaisesti mielenkiintoisen ristiriidan. Tämä on ns. katso muualle -efektiYhteistyössä sitä kvantifioitiin rakentamalla simuloituja näytteitä Monte Carlo -tekniikoilla ja toistamalla koko tutkimus käytännössä. Tämän korjauksen jälkeen kokonaismerkittävyyden havaittiin olevan yhtä suuri kuin 2,6 sigmaa, johon liittyy 0,5 prosentin luokkaa oleva p-arvo.

Tämä ei tarkoita, että tapahtuman todennäköisyys olisi 99,5 prosenttia pimeästä aineesta. P-arvo mittaa, kuinka epätavallista olisi havaita tällainen ristiriita olettaen, että taustalla oleva malli on oikea; se ei suoraan määritä todennäköisyyttä eri fysikaalisille syille. Perinteinen kynnys hiukkasfysiikan löydökselle on viisi sigmaa, paljon rajoittavampi.

Varovaisuutta korostaa se, että koko omavastuu riippuu yksittäinen tapahtumaToinen samankaltaisten ominaisuuksien omaava vuorovaikutus lisäisi kiinnostusta, mutta merkitys ei kasvaisi automaattisesti: energia, sijainti ilmaisimessa, yhteensopivuus saman teoreettisen spektrin kanssa ja odotetun taustan kehittyminen uuden valotuksen myötä olisivat ratkaisevia tekijöitä.

Rick Gaitskell, professori Brown University ja LZ:n tiedottaja sulki pois ennenaikaiset tulkinnat julkaisemassaan muistiossa Sheffieldin yliopisto:.

"Emme halua ennakoida johtopäätöksiä vain yhden tapahtuman perusteella. Emme väitä havainneemme pimeää ainetta. Mutta olemme nähneet jotain mielenkiintoista, jonka haluamme jakaa tiedeyhteisön kanssa kerätäksemme heidän panoksensa."

Pohjalla tehdyt tarkastukset eivät ole vielä löytäneet syytä

Yhteistyössä testattiin kuukausia yleisempiä selityksiä. Malli sisältää sisäisiä beetahajoamisia, neutriinoja, ksenon-isotooppeja, tritiumin ja hiili-14:n jäämiä, radiogeenisiä ja kosmogeenisiä neutroneja, S1- ja S2-signaalien satunnaisia ​​​​yhteensattumia sekä konfiguraatioita, joissa useita tuikeaaltoja voi liittyä yhteen ionisaatioon.

Myös pintojen lähellä syntyneitä tapahtumia, useita virheellisesti yksittäisiksi rekonstruoituja vuorovaikutuksia ja mahdollisia aaltomuotovaikutuksia arvioitiin. 248 keV:n isku läpäisi käytetyt valinnat, eikä siihen liittynyt veto-järjestelmissä signaaleja, jotka olisivat viitanneet neutronin läpikulkuun. Tämä supistaa joitakin tunnettuja selityksiä osoittamatta, että jokin harvinainen prosessi tai mallinnusvirhe olisi voinut aiheuttaa sen.

Aaron Manalaysay, Lawrence fyysikko Berkeleyn kansallinen laboratorio ja LZ:n laitoslautakunnan puheenjohtaja totesi, että poikkeavat tapahtumat eivät ole odottamattomia, vaan niiden alkuperä paljastuu yleensä perusteellisemman tarkastuksen jälkeen.

"Tämä on ensimmäinen esimerkki kaikista kokeista, joissa olen työskennellyt, poikkeavasta tapahtumasta, joka vaikuttaa pätevältä kaikilta osin. Yritämme edelleen ymmärtää, olemmeko mahdollisesti unohtaneet harvinaisen taustalla olevan mekanismin, mutta on jännittävää miettiä, voisiko tämä olla ensimmäinen vihje pimeän aineen havainnosta."

Tilanne havainnollistaa hyvin pienen lukumäärän kokeiden rakenteellista rajoitusta. Kun halutun ilmiön odotetaan ilmenevän vain muutaman kerran toimintavuosien aikana, jokainen yksittäinen vuorovaikutus saa tieteellistä painoarvoaSamaan aikaan yhden elementin populaatio ei mahdollista spektrin rekonstruointia, ajallisen jakauman varmentamista tai useiden tapahtumien vertaamista toisiinsa.

Yksittäinen tapahtuma ei riitä fyysisen signaalin rekonstruoimiseen

Sam Eriksen, vanhempi tutkijaBristolin yliopisto ja tutkimuksen ensimmäinen kirjoittaja selitti, että analyysissä tutkittiin aiemmin tutkimatonta aluetta samassa aineistossa. Tiimi käytti lisäksi kuukausia rekonstruoidakseen kaikki tunnetut syyt, jotka voivat aiheuttaa taustalla olevia tapahtumia.

”Tunnemme ilmaisimemme ja sen komponentit niin hyvin, että jopa yksi ainoa selittämätön tapahtuma, kuten löytämämme, on tärkeä. Odotamme pimeän aineen vuorovaikutusten olevan erittäin harvinaisia, joten jo muutama tapahtuma voisi olla ensimmäinen WIMP-pimeän aineen havaitseminen.”

Riippumaton varmennus voisi tulla muista ksenonilmaisimista, mukaan lukien XENONnT Gran Sasson kansallisissa laboratorioissa. Vertailukelpoisuus riippuu kuitenkin analysoitavien energiaikkunoiden koosta, kynnysarvoista, altistuksista ja malleista. Samankaltaisen tapahtuman havaitseminen eri laitteella olisi erityisen arvokas, koska se vähentäisi LZ:n tietyn instrumentaalisen alkuperän todennäköisyyttä.

Dan Tovey, professori ja LZ-ryhmän johtajaSheffieldin yliopisto, korosti, että signaali on toistaiseksi läpäissyt kaikki testit, joilla on selvitetty, johtuiko se yleisemmistä prosesseista. Ainoa tapa selvittää sen luonne on kuitenkin tutkia suurempaa datamäärää.

"Vain yhden tapahtuman perusteella on mahdotonta päätellä, että todella havaitsemme uuden fysiikan ensimmäisiä merkkejä. Valtava määrä työtä on tehty sen varmistamiseksi, ettei tapahtuma ole yleisempien prosessien tulos, ja toistaiseksi se on läpäissyt kaikki testit. Ainoa tapa olla varma on analysoida lisää dataa."

LZ jatkaa havaintojen keräämistä Etelä-Dakotassa ja sillä on jo suurin WIMP-metsästyskokeen koskaan tuottama näyte. Tulevat tiedot paljastavat, jääkö poikkeama yksittäiseksi tapahtumaksi, häviääkö sen merkitys taustan tarkemman tuntemuksen myötä vai seuraako sitä muita vastaavan energiaisia ​​ja ominaisuuksiltaan vastaavia heijastumia. Vain tämä mahdollinen toistuminen muuttaa yksittäisen ksenonvälähdyksen löydökseksi pimeän aineen luonteesta.

Tässä on kolme oivallusta, jotka saattavat kiinnostaa sinua:

SNOLAB, kaksi kilometriä maan alla, tiede kulkee datan läpi
Euclid, ESAn tehtävä metsästää maailmankaikkeuden pimeitä voimia
Nuo "pimeät todellisuudet" täynnä (uusia) mysteereitä kosmoksesta