Το κυνήγι της σκοτεινής ύλης θερμαίνεται με το πρώτο αποτέλεσμα από τον μεγαλύτερο ανιχνευτή του κόσμου
Οι φυσικοί που εργάζονται με τον μεγαλύτερο ανιχνευτή σκοτεινής ύλης στον κόσμο —ένα μεγαθήριο στις Ηνωμένες Πολιτείες, γνωστό ως LUX-ZEPLIN (LZ)— δημοσίευσαν τα πρώτα τους αποτελέσματα σήμερα. Δεν βλέπουν κανένα σημάδι αυτού που αναζητούν, τα λεγόμενα ασθενώς αλληλεπιδρώντα μαζικά σωματίδια ή WIMP. Ωστόσο, το αποτέλεσμα προκαλεί το ενδιαφέρον μεταξύ των σωματιδιακών φυσικών, καθώς η σχεδόν 4 δεκαετία αναζήτησης για WIMP πλησιάζει στο αποκορύφωμα. Ο ανιχνευτής των ΗΠΑ ενεργοποιείται ταυτόχρονα με παρόμοιους ανιχνευτές στην Ιταλία και την Κίνα και μαζί πιθανότατα αντιπροσωπεύουν την επόμενη έως την τελευταία γενιά ανιχνευτών WIMP, αν όχι την τελευταία.
Το νέο εύρημα προέρχεται από δεδομένα αξίας 65 ημερών που ελήφθησαν σε διάστημα 4 μηνών από τον Δεκέμβριο του 2021, λέει ο Richard Gaitskell, φυσικός και μέλος της LZ από το Πανεπιστήμιο Brown. Αυτό είναι ένα μικρό κλάσμα των δεδομένων των 1000 ημερών που οι ερευνητές της LZ στοχεύουν να πάρουν τα επόμενα 3 έως 5 χρόνια, λέει, αλλά αρκετά για να αποδείξουν ότι ο ανιχνευτής λειτουργεί καλά και είναι πλέον ο πιο ευαίσθητος στον κόσμο. «Θα ήμασταν σε θέση να δούμε μια υπερβολή [γεγονότων] αν υπήρχε», λέει ο Gaitskell, «αλλά δεν υπάρχει».
Η σκοτεινή ύλη θεωρείται ότι αποτελεί το 85% της συνολικής ύλης. Οι αστρονομικές παρατηρήσεις δείχνουν, για παράδειγμα, ότι τα αστέρια σε έναν τυπικό γαλαξία στροβιλίζονται τόσο γρήγορα που η συλλογική τους βαρύτητα δεν είναι αρκετή για να τα εμποδίσει να πετάξουν στο διάστημα. Έτσι, οι φυσικοί υποθέτουν ότι κάποιο είδος αόρατης σκοτεινής ύλης - πιθανώς, ένα νέο σωματίδιο - παρέχει την επιπλέον βαρύτητα που απαιτείται για να χαλιναγωγήσει τα αστέρια.
Από τη δεκαετία του 1980, πολλοί φυσικοί σκέφτηκαν ότι η σκοτεινή ύλη αποτελείται από WIMP, τα οποία θα αλληλεπιδράσουν με τη συνηθισμένη ύλη ακριβώς μέσω της βαρύτητας και της ασθενούς πυρηνικής δύναμης. Τα WIMP θα είχαν προκύψει φυσικά μετά τη Μεγάλη Έκρηξη και θα έπρεπε να παραμείνουν σε επαρκή αριθμό για να εξηγήσουν τη σκοτεινή ύλη, υπό την προϋπόθεση ότι έχουν μάζα περίπου 100 φορές μεγαλύτερη από ένα πρωτόνιο. Θα διαπερνούσαν τον γαλαξία και θα περνούσαν ακόμη και από μέσα μας, αλλά περιστασιακά κάποιος θα έπρεπε να συντριβεί σε έναν ατομικό πυρήνα. Έτσι, για να αναζητήσουν WIMP, οι φυσικοί χρειάζεται μόνο να αναζητήσουν πυρήνες ανάκρουσης σε ανιχνευτές βαθιά κάτω από το έδαφος, όπου προστατεύονται από άλλους τύπους ακτινοβολίας που μπορούν επίσης να προκαλέσουν συμβάντα ανάκρουσης.
Για 20 χρόνια, οι επιστήμονες έχουν αναπτύξει ολοένα και μεγαλύτερους ανιχνευτές που αποτελούνται από δεξαμενές υγρού ξένου επενδεδυμένες πάνω και κάτω με φωτοανιχνευτές φωτός. Όταν ένα WIMP χτυπά έναν πυρήνα, ο πυρήνας ανάκρουσης παράγει μια ανιχνεύσιμη λάμψη φωτός. Επίσης, τα ηλεκτρόνια που απελευθερώνονται από τον επιταχυνόμενο πυρήνα έλκονται από ένα ηλεκτρικό πεδίο προς την κορυφή της δεξαμενής, παράγοντας μια δεύτερη λάμψη. Συγκρίνοντας το μέγεθος και το χρονοδιάγραμμα των αναλαμπές, οι ερευνητές μπορούν να διακρίνουν τους πυρήνες ανάκρουσης από, ας πούμε, ηλεκτρόνια ανάκρουσης, τα οποία μπορούν να δημιουργηθούν από τις ακτίνες γάμμα που χτυπούν τον ανιχνευτή. Το ίδιο το xenon βοηθά στην προστασία της καρδιάς της δεξαμενής, μειώνοντας σημαντικά την ακτινοβολία του περιβάλλοντος εκεί.
Η κεντρική δεξαμενή της LZ περιέχει 7 μετρικούς τόνους υγρού xenon που κυνηγούν 1480 μέτρα κάτω στην υπόγεια ερευνητική εγκατάσταση του Sanford, σε ένα εγκαταλελειμμένο χρυσωρυχείο κοντά στο Lead, στη Νότια Ντακότα. Οι ερευνητές του LZ βλέπουν 335 συμβάντα πυρηνικής ανάκρουσης στον ανιχνευτή τους, ανέφερε σήμερα σε ένα διαδικτυακό σεμινάριο ο Hugh Lippincott, φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στη Σάντα Μπάρμπαρα και εκπρόσωπος της 287μελούς ομάδας LZ. Ωστόσο, αυτός ο αριθμός είναι περίπου ίσος με τα γεγονότα φόντου που αναμένονται από αναπόφευκτα ίχνη ραδιενεργών ισοτόπων όπως το μόλυβδο-214 στο ξένο και άλλες πηγές, ανέφερε ο Lippincott, επομένως η LZ δεν μπορεί να ισχυριστεί ότι έχει ανιχνεύσει WIMP.
Αλλά το μηδενικό αποτέλεσμα εξακολουθεί να έχει αξία. Οι φυσικοί δεν μπορούν να προβλέψουν επακριβώς τη μάζα του WIMP ή πόσο έντονα θα πρέπει να αλληλεπιδράσει με τη συνηθισμένη ύλη. Οι ερευνητές του LZ έθεσαν τα αυστηρότερα όρια μέχρι στιγμής στην ισχύ αυτών των αλληλεπιδράσεων για μάζες WIMP μεταξύ περίπου 10 και 10.000 φορές μεγαλύτερη από αυτή ενός πρωτονίου. Τα νέα όρια της LZ υπερβαίνουν εκείνα που δημοσιεύθηκαν τον Δεκέμβριο του 2021 από μια ομάδα που χρησιμοποιεί το PandaX-4T, έναν ανιχνευτή υγρού xenon 3,7 τόνων που βρίσκεται στο υπόγειο εργαστήριο Jinping της Κίνας.
Δεδομένου του μέτριου όγκου δεδομένων της LZ και του προηγούμενου πειραματικού ορίου της PandaX, το μηδενικό αποτέλεσμα δεν προκαλεί έκπληξη, λέει ο Dan Hooper, θεωρητικός στο Εθνικό Εργαστήριο Επιταχυντών Fermi. Ωστόσο, ο Hooper λέει ότι είναι ενθουσιασμένος που βλέπει αποτελέσματα από το LZ, το PandaX-4T και ένα τρίτο πείραμα, το XENONnT, έναν ανιχνευτή 5,9 τόνων στο υπόγειο Εθνικό Εργαστήριο Gran Sasso της Ιταλίας. Είναι η τέταρτη επανάληψη της συνεργασίας XENON και αναμένεται να κυκλοφορήσει τα πρώτα της αποτελέσματα αργότερα φέτος. Ο ανταγωνισμός θα ωθήσει όλες τις ομάδες να εργαστούν σκληρότερα, λέει ο Hooper. "Ο φυσικός-καπιταλιστής μέσα μου πιστεύει ότι αυτό είναι καλό."
Μέρος του ενθουσιασμού για τα WIMP ως υποψήφιες για σκοτεινή ύλη έχει εξασθενίσει τα τελευταία χρόνια, όχι μόνο επειδή οι αναζητήσεις έχουν βγει κενές μέχρι στιγμής, αλλά και επειδή ο μεγαλύτερος καταστροφέας ατόμων στον κόσμο, ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων της Ευρώπης, δεν έχει ακόμη εκτινάξει οτιδήποτε φαίνεται σαν WIMP. Ωστόσο, οι φυσικοί μόλις τώρα αρχίζουν να διερευνούν την καρδιά των πιθανών σειρών ισχύος μάζας και αλληλεπίδρασης για τα WIMP, υποστηρίζει ο Rafael Lang, ένας φυσικός και μέλος της ομάδας XENON στο Πανεπιστήμιο Purdue. «Με άλλα λόγια, οι μισές από τις [πιθανότητες] που είχατε ενθουσιαστεί πριν από μια ή δύο δεκαετίες είναι ακόμα ζωντανές και καλά.»
Οι κυνηγοί του WIMP σχεδιάζουν ήδη τον απόλυτο ανιχνευτή υγρού ξένον, έναν γίγαντα 80 τόνων. «Αυτό μπορεί να κάνει η τεχνολογία», λέει ο Gaitskell. Ένας τέτοιος ανιχνευτής θα ωθούσε την προσέγγιση υγρού ξένον στο όριο του, επειδή σε αυτό το μέγεθος, θα ήταν αρκετά ευαίσθητος ώστε να αρχίσει να ανιχνεύει μια πλημμύρα σωματιδίων που ονομάζονται νετρίνα από τον Ήλιο. Αυτά τα αναπόφευκτα γεγονότα θα ήταν δυσδιάκριτα από τις συγκρούσεις WIMP, καθιστώντας λίγο-πολύ άσκοπη την κατασκευή ενός ανιχνευτή υγρού xenon όσο μεγαλύτερο. Ο Lang λέει ότι οι ομάδες LZ και XENON έχουν ήδη αρχίσει να εργάζονται μαζί σε μια ιδέα. "Είμαι ενθουσιασμένος που οι συνεργασίες μας ένωσαν τις δυνάμεις τους."
