Ciemna materia w zasięgu ręki? Detektor LZ zarejestrował sygnał, którego nikt nie potrafi wyjaśnić
Prawie 1,6 kilometra pod powierzchnią Dakoty Południowej, w dawnej kopalni złota, największy na świecie detektor ciemnej materii zarejestrował pojedyncze zdarzenie, które nie pasuje do żadnego znanego tła. To najbardziej intrygujący ślad, jaki eksperyment LUX-ZEPLIN (LZ) zebrał od początku działania – choć naukowcy podkreślają, że na razie to wciąż zagadka, a nie odkrycie.
Czego szukamy, gdy szukamy ciemnej materii
Od niemal stu lat astronomowie wiedzą, że coś jest nie tak z bilansem masy we Wszechświecie. Już w latach 30. Fritz Zwicky zauważył, że galaktyki w gromadach poruszają się zbyt szybko, by utrzymać je razem, gdyby liczyła się tylko widoczna materia. Później Vera Rubin potwierdziła podobny problem w skali pojedynczych galaktyk spiralnych, badając prędkości gwiazd na ich obrzeżach. Wniosek był ten sam: galaktyki muszą zawierać znacznie więcej masy, niż widać w gwiazdach, gazie i pyle.
Ta brakująca masa, odpowiadająca za około 85 procent całej materii we Wszechświecie, nigdy nie została zaobserwowana bezpośrednio. Jednym z czołowych kandydatów teoretycznych na jej nośnik są WIMP-y (ang. weakly interacting massive particles) – hipotetyczne cząstki, które oddziałują z materią niezwykle rzadko, ale mają stosunkowo dużą masę. Właśnie na ich tropie od lat pracuje kolaboracja LZ, licząca 250 naukowców i inżynierów ze 39 instytucji, w tym Brown University.
Detektor pod ziemią i jedno niepasujące zdarzenie
Serce eksperymentu LZ to zbiornik zawierający dziesięć ton ultraczystego ciekłego ksenonu, wyposażony w czułe sensory świetlne. Gdyby WIMP zderzył się z atomem ksenonu, wywołałby charakterystyczny błysk światła i uwolnienie elektronów – sygnał, który detektor jest w stanie precyzyjnie zarejestrować. Cała aparatura znajduje się głęboko pod ziemią w Sanford Underground Research Facility, gdzie grubą warstwę skał, zbiornik wodny i dodatkowe detektory wykorzystuje się jako osłonę przed promieniowaniem kosmicznym i innymi źródłami zakłóceń.
Zespół, kierowany przez Sama Eriksena z University of Bristol, przeanalizował 220 dni obserwacji zebranych między marcem 2023 a kwietniem 2024 roku, tym razem szukając szerszego zakresu możliwych oddziaływań WIMP-ów – takich, które deponują w detektorze więcej energii niż standardowo badane sygnały. W tym obszarze danych natrafiono na jedno zdarzenie, którego mimo miesięcy dodatkowej analizy nie udało się przypisać żadnemu znanemu źródłu tła.
Jeśli rzeczywiście byłby to ślad ciemnej materii, odpowiadająca za niego cząstka WIMP musiałaby mieć masę co najmniej 200 GeV/c², czyli ponad dwustukrotnie większą niż proton. Wynik osiągnął istotność statystyczną na poziomie 2,6 sigma – to oznacza około 0,5-procentowe prawdopodobieństwo, że zdarzenie da się wyjaśnić znanym tłem. To wciąż daleko od progu pięciu sigma, wymaganego w fizyce cząstek do ogłoszenia odkrycia.
Ostrożny entuzjazm, nie triumf
„Bardzo intryguje nas to zdarzenie w danych – pojawiło się w obszarze, w którym spodziewamy się sygnału ciemnej materii, a konkurujące tła są tam bardzo niskie” – powiedział Rick Gaitskell, profesor fizyki na Brown University i rzecznik LZ. Zastrzegł jednak wyraźnie: „Przy jednym zdarzeniu nie chcemy wybiegać przed szereg. Nie twierdzimy, że zaobserwowaliśmy ciemną materię. Zobaczyliśmy jednak coś interesującego, czym chcemy podzielić się ze środowiskiem naukowym”.
Dodatkowej ostrożności wymaga sam charakter zdarzenia: gdyby WIMP oddziaływał w najprostszy, elastyczny sposób przy tak wysokiej energii, detektor powinien był zarejestrować też serię towarzyszących odbić przy niższych energiach. Tymczasem zarejestrowano tylko jedno zdarzenie, co – jak zauważa JiJi Fan, teoretyczka fizyki z Brown University – wymaga bardziej rozbudowanych wyjaśnień teoretycznych, na przykład rozpraszania nieelastycznego.
Wyniki zaprezentowano 1 września na konferencji TeV Particle Astrophysics w Japonii, a praca opisująca odkrycie trafi wkrótce do repozytorium arXiv oraz zostanie zgłoszona do czasopisma Physical Review Letters. LZ działa od 2021 roku i dysponuje już największym na świecie zbiorem danych w poszukiwaniu WIMP-ów – kolejne miesiące obserwacji pokażą, czy zagadkowy sygnał urośnie w siłę, czy rozpłynie się w statystycznym szumie.
Źródła
Główne:
- Brown University, LZ experiment sees surprising result in search for dark matter,
- Phys.org, Experiment sees surprising result in search for dark matter,
Kontekstowe:
- Universe Today, Scientists Intrigued by a Surprising Result in the Search for Dark Matter,
- University at Albany, materiał prasowy o udziale zespołu UAlbany w analizie danych LZ, 1 września 2026
Opracowanie: Agnieszka Nowak
