Un rezultat neașteptat al unui experiment cu materia întunecată poate semnala noi particule

Un experiment de căutare a materiei întunecate cosmice ar fi putut detecta în sfârșit ceva. Dar nu este materie întunecată.

Oamenii de știință cu experimentul XENON1T au raportat date pe 17 iunie care arată un număr neașteptat de mare de blip-uri în detectorul lor. „Observăm un exces… și nu știm ce este”, a spus fizicianul Evan Shockley de la Universitatea din Chicago, care a descris rezultatul în timpul unui seminar virtual.

Blipurile ar putea fi explicate prin noi particule ciudate numite axioni solari sau proprietăți magnetice neașteptate pentru anumite particule cunoscute, neutrini, propun cercetătorii.

Sau excesul ar putea fi în schimb rezultatul unui scenariu mai banal: o cantitate mică de tritiu radioactiv și-ar fi putut găsi drum în detector. Niciuna dintre posibilități nu ar explica natura materiei întunecate, o substanță nevăzută în univers care ajută stelele să se agațe de galaxiile lor și explică modul în care s-au format structurile în universul timpuriu.

Detectorul XENON1T, situat la adâncimea subteranului la Laboratorul Național Gran Sasso din Italia, a căutat interacțiuni ale particulelor de materie întunecată într-un vas mare plin cu xenon lichid, care a funcționat din 2016 până în 2018. Până acum, cercetătorii au venit gol (SN: 5/28/18). Dar în cea mai nouă analiză a datelor, au văzut ceva neașteptat. Când a căutat semne de recul de electroni în timp ce alte particule se loveau de ei, echipa a observat recul suplimentar de electroni la energii scăzute, cu mult peste numărul prezis de fizica standard. Interacțiunile normale ale particulelor ar fi trebuit să producă aproximativ 232 de recul de electroni la energie scăzută, dar cercetătorii au văzut 285 – un exces de 53.

„Este incitant”, spune fizicianul teoretician Dan Hooper de la Fermilab din Batavia, Ill. „Dar, din păcate, cred că devine puțin mai puțin interesant când cercetezi asta.” Asta pentru că cele mai interesante explicații par să fie în mare parte excluse de alte tipuri de măsurători.

Echipa XENON1T a sugerat că evenimentele cu energie scăzută s-ar putea datora axionilor solari, particule ipotetice fără sarcină electrică care ar putea fi produse în soare. Dar dacă acele particule ar exista, ele ar curge și din alte stele, luând cu ele energie și făcând ca stelele să se răcească mai repede decât sugerează observațiile.

O altă posibilă explicație pentru evenimentele suplimentare este impactul particulelor ușoare numite neutrini. Dacă neutrinii au un moment magnetic – ceea ce înseamnă că acţionează ca nişte magneţi minusculi – particulele ar interacţiona mai puternic cu electronii, rezultând mai multe recul. Această explicație, de asemenea, este greu de împăcat cu ceea ce oamenii de știință observă în cosmos, inclusiv cu modul în care stelele moarte numite pitice albe se răcesc.

Pentru ca oricare dintre aceste explicații propuse să funcționeze, ar trebui să existe ceva care nu este pe deplin înțeles despre observațiile anterioare de răcire stelară. Și nicio posibilitate nu ar explica existența materiei întunecate. În timp ce alte varietăți de axioni ar putea alcătui materia întunecată (SN: 4/9/18), XENON1T poate detecta doar axioni solari care ar fi prea masivi pentru a îndeplini acest rol. Cu toate acestea, existența axionilor solari ar ajuta la explicarea unui alt puzzle de lungă durată al fizicii: de ce o forță a naturii, numită forță nucleară puternică, respectă o regulă cunoscută sub numele de simetrie CP, spre deosebire de alte interacțiuni.

Alternativ, detectorul poate conține o cantitate mică de tritiu, o formă radioactivă de hidrogen cu doi neutroni în nucleu. Acest tritiu ar fi putut fi prins în materialele care alcătuiesc detectorul și s-ar fi putut scurge încet. Când atomii de tritiu se descompun, ei emit electroni, care ar putea fi responsabili pentru semnătura văzută de XENON1T. Această explicație nu ar dezvălui nimic nou despre univers, dar ar fi prima dată când un detector de acest tip era suficient de sensibil pentru a detecta cantități atât de mici de tritiu.

Pentru experimentele cu materia întunecată care caută semnături extrem de slabe, chiar și acesta ar fi un pas înainte, spune Hooper. „Așa arată progresul.”