Historické pátrání po „obrovském chybějícím kousku“ vesmíru dopadá negativně – ale odhaluje nová tajemství částicové fyziky
Rekordní vyšetřování pomocí detektoru částic míli pod zemí v Jižní Dakotě mohlo odhalit nové poznatky o temná hmotatajemná látka, o které se věří, že tvoří většinu hmoty ve vesmíru.
Experiment – nazvaný LUX-ZEPLIN (LZ) – pomocí největšího souboru dat svého druhu – omezil potenciální vlastnosti jednoho z předních kandidátů na temnou hmotu s nebývalou citlivostí. Výzkum neodhalil žádné důkazy o tajemné látce, ale pomůže budoucím studiím vyhnout se falešným zjištěním a lépe se zaměřit na tento špatně pochopený kus vesmíru.
WIMP vs. neutrina
Tým měl pro novou studii dva cíle: objasnit vlastnosti nízkohmotných „příchuť“ navrhovaných částic temné hmoty nazývané slabě interagující masivní částice (WIMP) a zjistit, zda detektor dokáže zobrazit sluneční neutrina – subatomární částice téměř bez hmotnosti produkované jadernými reakcemi uvnitř Slunce. Tým předpokládal, že detekční podpis těchto částic by mohl být podobný tomu, který předpovídaly určité modely temné hmoty, ale potřeboval zjistit sluneční neutrina, aby to věděl jistě.
Před experimentem, který trval 417 dní od března 2023 do dubna 2025, byla citlivost detektoru vylepšena tak, aby hledal vzácné interakce se základními částicemi. Válcová komora naplněná kapalným xenonem byla dějištěm akce. Výzkumníci mohli sledovat kolizi WIMP nebo neutrin s xenonem, z nichž oba vytvářejí záblesky fotonů spolu s kladně nabitými elektrony.
Experiment posunul vědu vpřed v otázkách WIMP i neutrin. U neutrin výzkumníci zlepšili svou důvěru, že určitý typ slunečního neutrin, známý jako bor-8, skutečně interaguje s xenonem. Tyto znalosti pomohou budoucím studiím vyhnout se falešným zjištěním temné hmoty.
Aby byly fyzikální objevy považovány za platné, musí obvykle dosáhnout úrovně spolehlivosti nazývané „5 sigma“. Nová práce dosáhla 4,5 sigma — značné zlepšení oproti výsledkům pod 3 sigma hlášeným u dvou detektorů v loňském roce. A to bylo zvláště pozoruhodné vzhledem k tomu, že detekce boru-8 se v detektoru děje pouze jednou za měsíc, a to i při monitorování 10 tun xenonu, řekl Gaitskell.
Pokud jde o otázku temné hmoty, výzkumníci nenašli nic definitivního pro typy WIMP s nízkou hmotností, které hledali. Vědci by to věděli, kdyby to viděli, řekl tým; pokud WIMP zasáhne srdce molekuly xenonu, energie srážky vytvoří charakteristický podpis, jak nejlépe předpovídají modely.
„Pokud vezmete jádro, je možné, že temná hmota vstoupí dovnitř a ve skutečnosti se současně rozptýlí z celého jádra a způsobí jeho zpětný ráz,“ vysvětlil Gaitskell. „Je to známé jako koherentní rozptyl. Má zvláštní podpis v xenonu. Takže to jsou ty koherentní, jaderné odrazy, které hledáme.“
Tým ve svém experimentu tento podpis nezjistil.
Zdvojnásobení běhu
Další, delší běh začne v roce 2028, kdy se očekává, že detektor bude sbírat výsledky po rekordních 1000 dní. Delší běhy dávají výzkumníkům větší šanci zachytit vzácné události.
Detektor bude hledat nejen další interakce slunečních neutrin nebo WIMP, ale také další fyziku, která může spadat mimo Standardní model částicové fyziky prý popisují většinu prostředí kolem nás.
Gaitskell zdůraznil, že úlohou vědy je neustále tlačit kupředu, i když se objeví „negativní“ výsledky.
„Jedna věc, kterou jsem se naučil, je, nikdy nepředpokládejte, že příroda dělá věci tak, jak si myslíte, že by přesně měla,“ řekl Gaitskell, který studuje temnou hmotu více než čtyři desetiletí.
„Existuje spousta elegantních (řešení), o kterých byste řekli: To je tak krásné. Musí to být pravda.“ A my jsme je testovali… a ukázalo se, že příroda to ignorovala a příroda nechtěla jít touto konkrétní cestou.“
