Materia întunecată și LUX-ZEPLIN. Un singur semnal a aprins imaginația fizicienilor

Materie întunecată este semnalul misterios care a făcut fizicienii să se întrebe dacă au găsit particula WIMP. Semnalul a fost înregistrat pe 16 iunie 2023, în timpul unei perioade de observație analizate ulterior. Evenimentul a rămas după aplicarea criteriilor de selecție și eliminarea semnalelor artificiale. Rezultatul a fost prezentat la 1 septembrie 2026, la conferința TeV Particle Astrophysics din Japonia.

Materia întunecată, misterul care ține galaxii împreună

Materia întunecată nu emite, nu absoarbe și nu reflectă suficientă lumină pentru a fi observată direct. Existența ei este dedusă din efectele gravitaționale asupra materiei vizibile. NASA estimează că materia întunecată reprezintă aproximativ 27% din conținutul Universului. Materia obișnuită reprezintă mai puțin de 5%.

Fără materia întunecată, mișcarea și formarea galaxiilor ar fi dificil de explicat prin materia vizibilă. De aproape un secol, fizicienii încearcă să afle din ce este alcătuită această componentă invizibilă a cosmosului.

Una dintre ipotezele importante a fost existența unor particule masive, care interacționează foarte slab cu materia obișnuită. Aceste particule au primit numele de WIMP, de la „weakly interacting massive particles”.

LUX-ZEPLIN a căutat particule aproape imposibil de prins

LUX-ZEPLIN este un experiment destinat detectării directe a particulelor de materie întunecată. Detectorul se află sub pământ, la Sanford Underground Research Facility, în Dakota de Sud. Mediul subteran reduce interferențele provocate de radiația cosmică. Experimentul folosește xenon lichid extrem de pur. Masa totală a xenonului din detector este de aproximativ 10 tone.

Ideea este simplă, deși experimentul este extraordinar de sofisticat. Dacă o particulă de materie întunecată ar lovi nucleul unui atom de xenon, acesta ar putea suferi un recul. Detectorul poate înregistra lumina și electronii produși de această interacțiune. Cercetătorii pot apoi analiza caracteristicile evenimentului.

În studiul prezentat de Nature, echipa a extins căutarea către reculuri nucleare cu energii de până la aproximativ 270 kiloelectronvolți.

Semnalul care a ieșit din tipar

Cercetătorii au analizat 220 de zile de date colectate între martie 2023 și aprilie 2024. După aplicarea tuturor criteriilor, un singur eveniment s-a detașat în regiunea asociată reculurilor nucleare. Evenimentul a produs un recul estimat la 248 ± 23 ± 23 keV. Înregistrarea a fost făcută la 16 iunie 2023, la 21:22:39 UTC.

Poziția și forma semnalului au fost compatibile cu un recul nuclear. Cercetătorii au analizat numeroase surse posibile de fond. Printre acestea s-au numărat neutronii, razele gamma, dezintegrarea radioactivă și interacțiunile cu neutrini. Evenimentul a rămas însă neobișnuit prin combinația caracteristicilor sale. Aici începe partea cu adevărat interesantă.

Particulă WIMP: cât de grea ar trebui să fie?

Dacă semnalul ar fi produs de o particulă WIMP, aceasta ar trebui să fie mult mai masivă decât un proton. Analiza LZ indică o masă de cel puțin aproximativ 200 GeV, în funcție de modelul de interacțiune. Unele interpretări testate favorizează mase apropiate de 1.000 GeV.

Pentru comparație, un proton are o masă de aproximativ 1 GeV în aceste unități. Asta ar însemna o particulă extrem de masivă la scara particulelor elementare. Totuși, cercetătorii nu spun că au identificat o particulă WIMP. Dimpotrivă, autorii subliniază că observarea unui singur eveniment nu permite atribuirea lui materiei întunecate.

Materia întunecată sau un fenomen încă necunoscut?

Cea mai importantă cifră din analiza LZ este semnificația statistică. Ipoteza fără materie întunecată a fost tensionată la o semnificație globală de 2,6 sigma. Pentru anumite modele, semnificația locală maximă a ajuns la 3,4 sigma. Aceste valori sunt interesante, dar nu reprezintă standardul necesar pentru o descoperire în fizica particulelor.

Pragul convențional folosit pentru o descoperire este, în general, de 5 sigma. Prin urmare, rezultatul LZ reprezintă un indiciu, nu o confirmare. Diferența este esențială. Un semnal statistic interesant poate dispărea atunci când apar mai multe date. Un rezultat repetat independent ar avea o greutate mult mai mare.

De ce rezultatul este totuși atât de important?

Căutarea clasică a materiei întunecate s-a concentrat adesea pe energii mai scăzute. LZ a extins însă analiza către energii mai mari. Această abordare permite testarea unor modele mai complexe de interacțiune.

Unele modele pot produce mai multe reculuri la energii ridicate. Printre acestea se află anumite scenarii cu interacțiuni inelastice. Astfel, experimentul nu a căutat o singură versiune a materiei întunecate. A testat o gamă mai largă de posibilități teoretice.

Aceasta este una dintre implicațiile importante ale rezultatului. Chiar dacă evenimentul nu se dovedește a proveni de la materia întunecată, analiza poate restrânge modelele care descriu particulele invizibile.

LUX-ZEPLIN păstrează verdictul deschis

LUX-ZEPLIN nu este singurul experiment care caută răspunsul. Alte colaborări folosesc detectoare cu xenon sau alte tehnologii. Printre experimentele importante se numără XENON și PandaX. Acceleratoarele de particule caută, la rândul lor, indicii despre particule care nu apar în Modelul Standard.

Observațiile astronomice oferă o altă cale. Cercetătorii urmăresc efectele gravitaționale produse de materia invizibilă. Până acum, niciuna dintre aceste metode nu a oferit confirmarea definitivă a unei particule de materie întunecată. Tocmai de aceea, un singur eveniment poate fi fascinant fără să fie încă revoluționar.

Ce urmează după misteriosul semnal

Următorul pas va fi acumularea de date. Dacă detectorul va înregistra evenimente similare, ipoteza unei origini prin particulă WIMP va deveni mai ușor de testat. Dacă astfel de semnale vor lipsi, explicația poate deveni mai puțin convingătoare.

În același timp, alte experimente vor putea căuta evenimente comparabile. Confirmarea independentă ar fi cheia. Pentru moment, materie întunecată rămâne una dintre cele mai mari necunoscute ale fizicii moderne.

LZ a oferit însă ceva extrem de valoros: un semnal care obligă cercetătorii să privească mai atent în direcția energiei înalte. Un singur punct nu poate rescrie manualele de fizică. Dar uneori, în știință, un singur punct este suficient pentru a deschide o întrebare uriașă.