Otkrivanje prirode tamne materije, nevidljive supstance koja čini većinu mase u našem univerzumu, jedna je od najvećih zagonetki u fizici. Novi rezultati najosetljivijeg detektora tamne materije na svetu, LUKS-ZEPLIN (LZ), suzili su mogućnosti za jednog od vodećih kandidata za tamnu materiju: masivne čestice sa slabom interakcijom ili VIMP-ove.
LZ, koju vodi Nacionalna laboratorija Lorensa Berklija (Laboratorija Berkli) iz Odeljenja za energetiku, lovi tamnu materiju iz pećine skoro jednu milju pod zemljom u podzemnoj istraživačkoj ustanovi Sanford u Južnoj Dakoti. Novi rezultati eksperimenta istražuju slabije interakcije tamne materije nego ikada ranije i dalje ograničavaju šta bi VIMP-ovi mogli biti.
„Ovo su nova svetska ograničenja sa značajnom marginom u pogledu tamne materije i VIMP-a“, rekao je Chamkaur Ghag, portparol LZ-a i profesor na Univerzitetskom koledžu u Londonu (UCL). Napomenuo je da tehnike detektora i analize rade čak i bolje nego što se očekivala saradnja.
„Da su VIMP-ovi bili unutar regiona koji smo tražili, mogli bismo čvrsto da kažemo nešto o njima. Znamo da imamo osetljivost i alate da vidimo da li su tamo dok pretražujemo niže energije i prikupljamo najveći deo ovog životni vek eksperimenta.“
Saradnja nije pronašla dokaze o VIMP-ovima iznad mase od 9 gigaelektronvolta/c 2 (GeV/c 2 ). (Poređenja radi, masa protona je nešto manja od 1 GeV/c 2 .) Osetljivost eksperimenta na slabe interakcije pomaže istraživačima da odbace potencijalne VIMP modele tamne materije koji se ne uklapaju u podatke, ostavljajući znatno manje mesta za VIMP-ove da se sakriju .
Novi rezultati su predstavljeni na dve fizičke konferencije 26. avgusta: TeV Particle Astrophisics 2024 u Čikagu, Ilinois, i LIDINE 2024 u Sao Paulu, Brazil. Rad će biti objavljen u narednim nedeljama.
Rezultati analiziraju podatke od 280 dana: novi set od 220 dana (prikupljen između marta 2023. i aprila 2024.) u kombinaciji sa 60 ranijih dana od prvog pokretanja LZ-a. Eksperiment planira da prikupi podatke u vrednosti od 1.000 dana pre nego što se završi 2028.
„Ako mislite na potragu za tamnom materijom kao na traženje zakopanog blaga, iskopali smo skoro pet puta dublje nego iko drugi u prošlosti“, rekao je Skot Kravic, zamenik koordinatora za fiziku LZ-a i profesor na Univerzitetu Teksas u Austin. „To je nešto što ne radite sa milion lopata – to radite tako što ćete izmisliti novi alat.“
LZ-ova osetljivost dolazi od bezbroj načina na koje detektor može da smanji pozadinu, lažnih signala koji mogu imitirati ili sakriti interakciju tamne materije. Duboko pod zemljom, detektor je zaštićen od kosmičkih zraka koji dolaze iz svemira.
Da bi se smanjilo prirodno zračenje svakodnevnih objekata, LZ je izgrađen od hiljada ultra čistih delova sa niskim zračenjem. Detektor je napravljen kao luk, pri čemu svaki sloj ili blokira spoljašnje zračenje ili prati interakcije čestica kako bi se isključile imitacije tamne materije. A sofisticirane nove tehnike analize pomažu da se isključe pozadinske interakcije, posebno one od najčešćeg krivca: radona.
Ovaj rezultat je ujedno i prvi put da je LZ primenio „soljenje“—tehniku koja dodaje lažne VIMP signale tokom prikupljanja podataka. Kamufliranjem stvarnih podataka do „nesoljenosti“ na samom kraju, istraživači mogu da izbegnu nesvesnu pristrasnost i da ne preterano tumače ili menjaju svoju analizu.
„Pomeramo granicu u režim u kojem ljudi ranije nisu tražili tamnu materiju“, rekao je Skot Haselšvart, koordinator za fiziku LZ-a i nedavni Chamberlain saradnik u laboratoriji Berkli, koji je sada docent na Univerzitetu u Mičigenu. „Postoji ljudska sklonost da žele da vide obrasce u podacima, tako da je zaista važno kada uđete u ovaj novi režim da nikakva pristrasnost ne zaluta. Ako otkrijete, želite da to ispravite.“
Tamna materija, nazvana tako jer ne emituje, reflektuje ili apsorbuje svetlost, procenjuje se da čini 85% mase u univerzumu, ali nikada nije direktno otkrivena, iako je ostavila svoje otiske prstiju na više astronomskih posmatranja. Ne bismo postojali bez ovog misterioznog, ali fundamentalnog dela univerzuma; masa tamne materije doprinosi gravitacionoj privlačnosti koja pomaže galaksijama da se formiraju i ostanu zajedno.
LZ koristi 10 tona tečnog ksenona da bi obezbedio gust, providan materijal za čestice tamne materije koje bi potencijalno mogle da udare. Nada je da će VIMP zakucati u jezgro ksenona, uzrokujući njegovo pomeranje, slično kao udarac bijom u igri biljara. Sakupljanjem svetlosti i elektrona emitovanih tokom interakcija, LZ hvata potencijalne VIMP signale zajedno sa drugim podacima.
„Pokazali smo koliko smo jaki kao mašina za pretragu VIMP-a, i nastavićemo da trčimo i postajemo još bolji—ali postoji mnogo drugih stvari koje možemo da uradimo sa ovim detektorom“, rekla je Ejmi Kotl, voditeljka VIMP-a. traganje i docent na UCL.
„Sledeća faza je korišćenje ovih podataka da se pogledaju drugi interesantni i retki fizički procesi, kao što su retki raspadi atoma ksenona, dvostruki beta raspad bez neutrina, neutrina bora-8 od sunca i druge fizike izvan standardnog modela. I ovo je dodatak ispitivanju nekih od najzanimljivijih i ranije nedostupnih modela tamne materije iz poslednjih 20 godina.“
LZ je saradnja otprilike 250 naučnika iz 38 institucija u Sjedinjenim Državama, Ujedinjenom Kraljevstvu, Portugalu, Švajcarskoj, Južnoj Koreji i Australiji; veći deo rada na izgradnji, radu i analizi eksperimenta za postavljanje rekorda obavljaju istraživači u ranoj karijeri.
Saradnja se već raduje analizi sledećeg skupa podataka i korišćenju novih trikova analize za traženje tamne materije još manje mase. Naučnici takođe razmišljaju o potencijalnim nadogradnjama za dalje poboljšanje LZ-a i planiraju detektor tamne materije sledeće generacije pod nazivom KSLZD.
„Naša sposobnost da tražimo tamnu materiju se poboljšava brzinom brže od Murovog zakona“, rekao je Kravic. „Ako pogledate eksponencijalnu krivu, sve pre sada je ništa. Samo sačekajte dok ne vidite šta sledi.“
