Antraštes margina neužtikrintas tamsiosios materijos signalas

Birželio 17 dieną paslaptingosios tamsiosios materijos dalelių ieškančių fizikų paskelbtas pranešimas sukėlė audrą — nors net pati tyrėjų komanda sako nieko iš tikrųjų dar neatradusi.

XENON sandarbio fizikai internetiniame simpoziume pranešė, apie dešimtis keistų įvykių, kurie galėtų būti ženklai iš Saulės sklindančių naujų dalelių – aksionų. Arba patvirtinimai, kad neutrinai yra labiau magnetiški, nei manyta. Arba detektoriaus taršos rezultatai. Arba tiesiog statistinės fluktuacijos.

„Tesakome, kad mūsų detektoriuje yra kažkas, ko niekas nesitikėjo, ir kol kas niekas nežino, kas tai iš tiesų yra,” sako Rafael Lang, fizikas ir XENON komandos narys iš Purdue universiteto.

Naujos dalelės ar netikėto fenomeno atradimas dalelių nudžiugintų dalelių fizikus, kurie jau ne vieną dešimtmetį nėra atradę ko nors, ko neaprašo standartinis modelis. Bet kiti eksperimentatoriai į naujieną reaguoja atsargiai, nes tamsiosios materijos paieškų istorijoje netrūksta istorijų apie dėmesį patraukusias užuominas, kurios išsivadėjo, gavus daugiau duomenų. Dauguma šių klaidingų signalų ir buvo tokie, kokie gauti iš XENON: saujelė nepaaiškintų įvykių, kurių energija vos aukštesnė už detektoriaus jautrumo slenkstį. „Slenkstinį regioną charakterizuoti – sunkiausia,” sako Juan Collar, fizikas ir tamsiosios materijos ieškotojas iš Čikagos universiteto. „Visi esame čia nudegę milijoną kartų.”

Nuo 2006, XENON komanda statė vis didesnius detektorius Italijos požeminėje Gran Sasso nacionalinėje laboratorijoje, kurioje ieškoma tamsiosios materijos, neaptiktos medžiagos, kuri, kaip manoma, persmelkia visas galaktikas ir suteikia gravitaciją, neleidžiančią joms iširti. Hipotetinių tamsiosios materijos dalelių, vadinamų silpnai sąveikaujančių masyvių dalelių (weakly interacting massive particles – WIMP), mokslininkai ieško, stebėdami skysto ksenono indus, kuriuose šios dalelės kartais gali susidurti su ksenono atomų branduoliais ir sukurti blyksnius. Tačiau kol kas stebėjimai nebuvo sėkmingi.

Bet šis detektorius gali aptikti ir ne tokias masyvias daleles, atšokusia nuo ksenono atomų elektronų. Naudodami trečią detektoriaus iteraciją  — XENON1T, kuriame yra 1 tona skysto ksenono ir kuris veikė nuo 2016 metų antros pusės iki pernai — tyrėjai užfiksavo 285 tokius elektronų atšokimus konkrečiame energijos ruože, nors tikėjosi jų užfiksuoti tik 232, simpoziume pranešė Evan Shockley, fizikas iš Čikagos universiteto. 53 įvykių perteklius, yra, fizikų mėgstamais matavimo vienetais, 3,5 standartinio nuokrypio didesnis už foninį lygį, tai yra, nepakankamas, kad būtų galima kelti pergalingo atradimo vėliavą, bet antakiams pakelti to išties pakanka.

Kad ir kas atsitrenkė į elektronus, tos dalelės buvo pernelyg lengvos, kad galėtų būti standartinės WIMP. Tiesą sakant, detali analizė rodo, kad jos galėtų būti kitos hipotetinės dalelės, aksionai, kurios buvo išrastos spręsti stipriosios branduolinės sąveikos problemą. Kad paaiškintų XENON1T signalus, šie aksionai turėtų būti kelių kiloelektronvoltų (keV) masės — sunkiajame teorinių spėlionių gale. Ironiška, bet tokie sunkūs aksionai negalėtų paaiškinti tamsiosios materijos, nes yra teorinis atvirkštinis sąryšis tarp aksiono masės ir to, kiek jų galėjo likti nuo didžiojo sprogimo. Bet jie galėjo rastis ir iš Saulėje vykstančių branduolinių procesų. Arba perteklinius įvykius galėjo sukelti Saulės siunčiami trilijonai neutrinų, jeigu jie labiau magnetiški, nei numato teorija.

Bet ir čia be kliūčių – niekaip. Tiek aksionų, tiek ir neutrinų hipotezė prieštarautų kai kuriems astrofizikiniams žvaigždžių elgesio stebėjimams, teigia Shockley. Negana to, visi šie įvykiai susibūrę 2,4 keV energijos lygyje, vos aukštesniame už detektoriaus jautrumo slenkstį. Čia tiksliai suskaičiuoti įvykius yra sunku, pastebi Richard Gaitskell, fizikas ir tamsiosios materijos medžiotojas iš Brown universiteto. Vos 10% detektoriaus slenksčio modeliavimo paklaida galėtų paaiškinti signalus, pažymi jis,  tačiau prideda, kad panašu, jog XENON komanda detektorių sukalibravo gerai.

Turbūt svarbiausia, kad signalas galėjo rastis iš tamsiosios materijos medžiotojams gerai žinomo įprasto šaltinio: detektoriaus užteršimo tričiu. Skylant tričiui, –radioaktyviam vandenilio izotopui – išlekia elektronas, kuris gali sukelti apgaulingą įvykį. O tritis sukuriamas pačiame detektoriuje, kai didelės energijos kosminiai spinduliai iš aplinkinių uolienų išmuša neutronus, paaiškina Collar. Savo ruožtu neutronai gali suskaldyti ksenono atomų branduolius, tuo pačiu sukurdami ir tritį. Kad būtų sukurtas signalas, pakanka trijų tričio atomų kilograme ksenono, sako Shockley. Tokiame lygyje XENON tyrėjai negali atmesti užteršimo tričiu galimybės, nors jie ir mano, kad jų filtravimo sistema ją gerokai sumažina.

Vien šis faktas atvėsina egzotiškų dalelių mėgėjų įkarštį, sako Gaitskell. „Tai reiškia, kad kiti, dar egzotiškesni scenarijai į sąrašo viršų nepatenka,” sako jis.

Aiškumo ilgai laukti neteks. XENON tyrėjai jau kuria didesnę detektoriaus versiją, XENONnT, kuriame bus kelios tonos skysčio. O Gaitskell su kitais tyrėjais JAV darbuojasi su tokio paties dydžio ksenono detektoriumi. Jei ir šie detektoriai ką nors užfiksuos, egzotiškų dalelių byla sustiprės. Bet prisiminus istoriją, intriguojantis signalas tikriausiai išblės.

Adrian Cho
www.sciencemag.org

doi:10.1126/science.abd3895