Naučnici su možda sve bliže pravom identitetu tamne materije

Duboko ispod zemlje, LUX-ZEPLIN menja pravila u epskoj potrazi za tamnom materijom.

Detektor LUX-ZEPLIN udara nove temelje u potrazi za tamnom materijom, postavljajući dosad neviđene granice za slabo uzajamno dejstvujuće masivne čestice (WIMP). Rezultati ne samo da sužavaju mogućnosti za tamnu materiju, već i otvaraju uzbudljive puteve ka drugim retkim fizičkim otkrićima.

Preporučujemo

Utvrđivanje prirode tamne materije, nevidljive supstance koja čini najveći deo mase u univerzumu, jedna je od najvećih zagonetki u fizici. Novi rezultati najosetljivijeg detektora tamne materije na svetu, zvanog LUX-ZEPLIN (LZ), ograničili su mogućnosti za jednog od vodećih kandidata – slabo uzajamno dejstvujuće masivne čestice (WIMP).

„Dok se uvek nadamo otkriću neke nove čestice, važno je za fiziku čestica da možemo postaviti granice po pitanju šta bi tamna materija zapravo mogla biti“, kaže Hju Lipinkot sa Kalifornijskog univerziteta u Santa Barbari.

Naučnici pretpostavljaju postojanje tamne materije decenijama, ali to ostaje misteriozna supstanca, koja ipak ima fundamentalnu ulogu u strukturi univerzuma.

LZ traga za tamnom materijom iz komore oko kilometar i po ispod površine Zemlje u Laboratoriji Senford u Južnoj Dakoti. Novi rezultati prikazuju dosad najslabije interakcije tamne materije i dalje ograničavaju šta bi WIMP čestice mogle biti. Eksperiment bi trebalo da sakupi podatke od 1.000 dana pre završetka u 2028. godini.

Unutrašnji deo detektora LZ sastoji se od dva uklopljena titanijumska kontejnera ispunjena sa 10 tona transparentnog čistog likvidnog ksenona, koji je toliko gust da stvara visokoizolovanu sredinu, bez „buke“ spoljašnjeg sveta, savršenu za hvatanje najslabijih signala koji bi mogli ukazivati na WIMP.

Očekuje se da WIMP udari u jezgro ksenona, izazivajući njegovo pomeranje. Skupljajući svetlo i elekrone emitovane tokom interakcija, LZ detektuje potencijalne WIMP signale pored drugih podataka. Likvidno ksenonsko središte je okruženo mnogo većim spoljnim detektorom (OD) – akrilnim kontejnerima sa likvidnim scintilatorom punim gadolinijuma.

Osetljivost LZ-a dolazi od mnoštva načina na koje detektor može da redukuje „šumove“, lažne signale koji mogu da imitiraju ili skrivaju interaciju tamne materije. Duboko pod zemljom, detektor je zaštićen od kosmičkog zračenja. Radi smanjenja prirodnog zračenja svakodnevnih objekata, LZ je napravljen od hiljada ultračistih delova niskog zračenja. Detektor je napravljen kao luk, a svaki sloj ili blokira spoljašnje zračenje ili prati interakcije čestica radi isključivanja imitacije tamne materije. Takođe, sofisticirane nove tehnike analize pomažu u isključivanju neželjenih interakcija.

Kalifornijski univerzitet u Santa Barbari je bio jedna od osnivačkih grupa LZ-a, pod vođstvom fizičara Harija Nelsona, koji je bio domaćin prvog sastanka o LZ-u 2012.

Neutroni, subatomske čestice koje postoje u svakom atomu osim vodonika, neki su od najuobičajenijih ometača WIMP signala. OD je ključna komponenta koja omogućava isključivanje ovih čestica i dolazak do pravog otkrića. Neutroni takođe reaguju sa ksenonskim jezgrima, prizvodeći signal identičan onome koji se očekuje od WIMP čestica. OD odlično detektuje neutrone i potvrđuje detekciju WIMP čestice bez reakcije.

Radon takođe imitira WIMP. Prolazi kroz sekvencu raspadanja, od kojih se neka mogu pobrkati sa WIMP česticama. Naučnici su uspeli da osmotre čitav skup raspada u detektoru radi identifikacije radona i izbegavanja da se pobrkaju sa WIMP česticama.

Da bi došli do pouzdanih rezultata i eliminisali nesvesnu pristrasnost, primenjena je tehnika dodavanja lažnih WIMP sinala tokom prikupljanja podataka. Kamuflirajući prave podatke do samog kraja, istraživači mogu da izbegnu nesvesnu pristrasnost i preteranu interpretaciju ili izmenu analize. Postoji ljudska sklonost ka želji da se vide obrasci u podacima.

Polje mogućnosti šta WIMP čestice mogu biti smanjuje se drastično, omogućavajući naučnicima koji tragaju za tamnom materijom da se bolje fokusiraju i odbace netačne modele funkcionisanja univerzuma. Dugoročno sakupljanje podataka učiniće više od ubrzanja potrage za tamnom materijom.

Naš eksperimet je osetljiv i na retke događaje sa korenima u raznim oblastima fizike, kažu istraživači. Neki primeri su solarni neutrini, fascinantni raspadi izvesnih izotopa ksenona, i čak drugi tipovi tamne materije.

LZ je proizvod saradnje između otprilike 250 naučnika iz 38 institucija u Sjedinjenim Državama, Ujedinjenom Kraljevstvu, Portugalu, Švajcarskoj, Južnoj Koreji i Australiji. Već se očekuje analiza sledećeg skupa podataka i proširivanje tehnika analize na potragu za signalima od tamne materije manje mase. Naučnici takođe razmatraju potencijalna poboljšanja LZ-a i planiraju sledeću generaciju detektora tamne materije pod nazivom XLZD.

(Telegraf Nauka/Science Daily)