En anomal chock vid 248 keV framgår av LUX-ZEPLIN-data: den klarade bakgrundsbrustestesterna, men det är fortfarande inte tillräckligt för en upptäckt.

Endast ett nedslag, registrerat under 220 dagars observation, lyckades komma ut från ett område av detektorn där det förväntade bakgrundsbruset är extremt lågt. Händelsen avsatte en energi på 248 kiloelektronvolt och överensstämmer med rekylen i en xenonatoms kärna. Den skulle kunna ha producerats av en partikel av mörk materia, men tillgängliga data tillåter oss ännu inte att fastställa detta.

Signalen kommer från LUX-ZEPLIN, eller LZ, ett av de känsligaste instrumenten byggda för att söka efter interaktioner mellan vanlig materia och hypotetiska Svagt interagerande massiva partiklar, de svagt växelverkande massiva partiklarna som kallas WIMP. Detektorn arbetar nästan en och en halv kilometer under ytan, i Sanford Underground Research Facility i Lead, South Dakota.

La LZ Collaboration har publicerat resultatet i förtryckt form, därför före peer review, efter att ha utvidgat analysen till kärnkraftsrekyler som är mycket mer energiska än konventionell forskning. Statistisk signifikans når ett lokalt maximum på 3,4 sigma, men det går ner till 2,6 sigma på global skala med tanke på antalet testade modeller. Det är en anomali värd att uppmärksamma, inte tillkännagivandet av den första direkta observationen av mörk materia.

Sju ton xenon förvandlar stötdämpare till ljus

Astronomiska bevis tyder på att mörk materia utgör ungefär 85 procent av materian i universumDess närvaro härleds från de gravitationella effekter den utövar på galaxer, kluster och ljuset som passerar genom stora kosmiska strukturer. Eftersom den varken avger eller absorberar elektromagnetisk strålning på ett observerbart sätt, förblir ämnet osynligt för teleskop, och dess mikroskopiska sammansättning är okänd.

LZ försöker göra en direkt mätning. I mitten av apparaten finns en tvåfasig tidsprojektionskammare innehåller ungefär sju aktiva ton flytande xenon, en del av ett totalt lager på nästan tio ton. Xenon erbjuder tunga kärnor och ett extremt rent medium där även minimala energilager kan rekonstrueras.

När en partikel interagerar i vätskan producerar den en initial scintillationspuls, kallad S1, och frigör elektroner. Ett elektriskt fält trycker dem mot toppen av kammaren, där de extraheras in i ett lager av xenongas och genererar en andra ljussignal, S2Den relativa intensiteten hos de två pulserna, deras tidsintervall och ljusfördelningen gör att vi kan uppskatta energin och den tredimensionella platsen för interaktionen.

Denna information hjälper också till att skilja mellan två familjer av fenomen. Gamma- och betapartiklar tenderar att interagera med xenons elektroner och producera elektroniska rekyler; neutroner eller möjliga WIMP:er kan istället träffa kärnorna direkt och generera kärnvapenrekylerStatistisk separation är mycket effektiv, men inte absolut: sällsynta händelser, slumpmässiga sammanträffanden och icke-standardiserade enhetssvar kan härma den önskade signalen.

Detektorn är placerad djupt under jord för att minska flödet av kosmisk strålning och skyddas av en vattentank och externa system som kan identifiera neutroner och andra partiklar. Sökandet efter mörk materia beror således inte bara på målets massa, utan på förmågan att identifiera och avvisa nästan alla möjliga bakgrundskällor.

Energifönstret ökar från 55 till cirka 270 keV

Analysen använder data som samlats in mellan 27 mars 2023 och 1 april 2024, för en total exponering på 2,84 ton per årSamma prov hade redan studerats i sökandet efter de enklaste WIMP-interaktionerna, huvudsakligen koncentrerade vid låga energier. Det nya arbetet har utvidgat området för kärnrekyler från 5,4 upp till cirka 270 keV, mot en tidigare gräns nära 55 keV.

Valet låter oss utforska modeller där den förväntade energifördelningen inte minskar lika snabbt som i den traditionella spinnoberoende elastiska interaktionen. Samarbetet beaktade operatorerna av icke-relativistisk effektiv fältteori, ett matematiskt verktyg som beskriver olika sätt en WIMP kan kopplas till protoner och neutroner.

Scenarier av undersöktes också oelastisk mörk materiaI sådana modeller ändrar partikeln tillstånd under kollisionen, och en del av energin används för att producera en något tyngre version av sig själv. För att möjliggöra denna process måste WIMP:er vara tillräckligt snabba och massiva; de resulterande rekylerna kan därför uppta energiområden som ignoreras av standardanalyser.

Den avvikande händelsen rekonstruerades kl. 248 keV, med en statistisk osäkerhet på 23 keV och en systematisk osäkerhet av samma storleksordning. Dess morfologi verkar överensstämma med den hos en enda kärnrekyl, medan dess position faller inom den interna volym som valts för att begränsa kontaminering från väggar och andra komponenter.

Om kollisionen orsakades av mörk materia, skulle de tolkningar som beaktats i allmänhet kräva en tung WIMP, med en massa på minst 200 GeV/c², tvåhundra gånger större än protonens. Dessutom skulle det inte vara den mest eftersökta elementära interaktionen, utan snarare en koppling beroende på momentum, spinn eller en oelastisk övergång. Signalen identifierar därför inte en specifik partikel: den är kompatibel med flera teoretiska konstruktioner som analyseras.

Från det lokala maximumet till det globala värdet på cirka 2,6 sigma

För vissa modeller når inkompatibiliteten mellan den observerade händelsen och bakgrundshypotesen lokalt 3,4 sigmaIsolerat sett motsvarar ett sådant värde en mycket låg sannolikhet att få ett resultat som är minst lika extremt genom fluktuation. Men experimentet verifierade inte en enda förutbestämd förutsägelse: det utforskade ett flertal kombinationer av operatorer, massor och energiseparationer.

Ju fler hypoteser som undersöks, desto större är chansen att åtminstone en slumpmässigt producerar en intressant diskrepans. Detta är den s.k. titta-någon annanstans-effektenSamarbetet kvantifierade det genom att bygga simulerade stickprov med Monte Carlo-tekniker och praktiskt taget upprepa hela forskningen. Efter denna korrigering befanns den totala signifikansen vara lika med 2,6 sigma, associerat med ett p-värde i storleksordningen 0,5 procent.

Detta betyder inte att det finns en 99,5 procents sannolikhet att händelsen är mörk materia. P-värdet mäter hur ovanligt det skulle vara att observera en sådan avvikelse förutsatt att den underliggande modellen är korrekt; det tilldelar inte direkt en sannolikhet till de olika fysikaliska orsakerna. Den konventionella tröskeln för att göra anspråk på en upptäckt inom partikelfysik är fem sigma, mycket mer restriktiv.

Försiktigheten förstärks av att hela överskottet beror på en enda händelseEn annan interaktion med liknande egenskaper skulle öka intresset, men betydelsen skulle inte öka automatiskt: energin, positionen i detektorn, kompatibiliteten med samma teoretiska spektrum och utvecklingen av den förväntade bakgrunden med den nya exponeringen skulle vara avgörande faktorer.

Rick Gaitskell, professor vid Brown University och talesperson för LZ, uteslöt förhastade tolkningar i noten som släpptes av University of Sheffield:.

"Vi vill inte förutdöma slutsatserna med bara en händelse. Vi påstår inte att vi har observerat mörk materia. Men vi har sett något intressant som vi vill dela med forskarsamhället för att samla in deras synpunkter."

Inspektioner i botten har ännu inte funnit någon orsak

Samarbetet ägnade månader åt att testa mer vanliga förklaringar. Modellen inkluderar interna betasönderfall, neutriner, xenonisotoper, spår av tritium och kol-14, radiogena och kosmogena neutroner, oavsiktliga sammanträffanden mellan S1- och S2-signaler, och konfigurationer där flera scintillationer kan associeras med en enda jonisering.

Händelser som uppstod nära ytor, multipla interaktioner som felaktigt rekonstruerats som en enda, och möjliga vågformseffekter utvärderades också. Chocken på 248 keV klarade de tillämpade valen och åtföljdes inte av signaler i vetosystemen som skulle ha antytt att en neutron hade passerat igenom. Detta minskar vissa kända förklaringar, utan att visa att någon ovanlig process eller modelleringsfel kunde ha genererat den.

Aaron Manalaysay, Lawrence fysiker Berkeley National Laboratory och ordförande för LZ Institutional Board, noterade att avvikande händelser inte är oväntade, utan vanligtvis avslöjar sitt ursprung efter en mer grundlig inspektion.

"Detta är det första exemplet, bland alla experiment jag har arbetat med, på en anomal händelse som verkar giltig i alla avseenden. Vi försöker fortfarande förstå om vi kanske har missat en sällsynt underliggande mekanism, men det är spännande att undra om detta kan vara den första antydan till en observation av mörk materia."

Situationen illustrerar en strukturell begränsning hos experiment med mycket få antal. När det önskade fenomenet förväntas manifestera sig bara ett fåtal gånger under flera års drift, varje enskild interaktion får vetenskaplig tyngdSamtidigt tillåter en population av ett enda element oss inte att rekonstruera ett spektrum, verifiera en tidsfördelning eller jämföra flera händelser med varandra.

En enda händelse räcker inte för att rekonstruera en fysisk signal

Sam Eriksen, seniorforskare vidUniversity of Bristol och studiens första författare, förklarade att analysen utforskade en tidigare outforskad region inom samma dataurval. Teamet tillbringade ytterligare månader med att rekonstruera alla kända orsaker som kan producera underliggande händelser.

"Vi känner vår detektor och dess komponenter så väl att även en enda oförklarlig händelse, som den vi hittade, är viktig. Vi förväntar oss att interaktioner med mörk materia kommer att vara extremt sällsynta, så även ett fåtal händelser kan markera den första upptäckten av mörk materia i WIMP."

Oberoende verifiering skulle kunna komma från andra xenondetektorer, inklusive XENONnT vid Gran Sasso National Laboratories. Jämförbarheten beror dock på storleken på respektive energifönster, tröskelvärden, exponeringar och modeller som analyseras. En liknande händelse som observeras av en annan apparat skulle vara särskilt värdefull eftersom den skulle minska sannolikheten för ett specifikt instrumentellt ursprung för LZ.

Dan Tovey, professor och chef för LZ-gruppen vidSheffields universitet, betonade att signalen hittills har klarat alla tester som utförts för att avgöra om den berodde på mer vanliga processer. Det enda sättet att fastställa dess natur är dock att undersöka en större mängd data.

"Med bara en händelse är det omöjligt att dra slutsatsen att vi faktiskt observerar de första tecknen på ny fysik. En enorm mängd arbete har gjorts för att verifiera att händelsen inte är resultatet av vanligare processer, och hittills har den klarat alla tester. Det enda sättet att vara säker är att analysera mer data."

LZ fortsätter att samla observationer i South Dakota och har redan det största urvalet som någonsin producerats av WIMP-jaktexperimentet. Framtida data kommer att avslöja om anomalin kommer att förbli en isolerad händelse, avta i betydelse med mer exakt kunskap om bakgrunden, eller följas av andra rekyler med jämförbar energi och egenskaper. Endast denna möjliga upprepning kommer att förvandla en enda xenonblixt till ett fynd om mörk materias natur.

Här är tre insikter som kan intressera dig:

SNOLAB, två kilometer under jord, vetenskap passerar genom data
Euclid, ESA:s uppdrag att jaga efter universums mörka krafter
De där "mörka verkligheterna" fulla av (nya) mysterier om kosmos