Premieră: Fizicienii au descoperit cea mai convingătoare dovadă a existenței materiei întunecate de până acum

La un kilometru și jumătate sub pământ, într-o liniște radioactivă aproape absolută, o scânteie minusculă de lumină ar putea fi prima urmă directă lăsată vreodată de materia întunecată.

Deși constituie aproximativ 85% din toată materia din Univers – depășind materia vizibilă, din care suntem făcuți noi și stelele, într-un raport de cinci la unu –, această substanță fantomatică a scăpat tuturor instrumentelor timp de aproape un secol.

Acum, fizicienii care operează gigantul detector LUX-ZEPLIN (LZ) au raportat înregistrarea unui semnal bizar: o interacțiune energetică rară, care bifează toate trăsăturile unui candidat teoretic de calibru greu și care refuză să fie explicată prin fizica uzuală.

Rezultatele, care nu au trecut încă prin evaluarea inter pares, au fost anunțate recent într-o prezentare la o conferință de astrofizică din Japonia.

Echipa evită concluziile premature: evenimentul nu a depășit pragul statistic care le permite oamenilor de știință să excludă efectiv alte explicații.

„Suntem foarte intrigați să observăm acest eveniment în date, în zona în care ne așteptăm ca materia întunecată să apară, iar zgomotul de fond concurent este foarte redus. Având în vedere că este vorba doar de un singur eveniment, nu vrem să ne grăbim cu concluziile. Nu afirmăm că am observat materia întunecată. Dar am observat ceva interesant pe care dorim să-l împărtășim comunității științifice pentru a primi părerea acesteia.”, a spus Rick Gaitskell, fizician la Universitatea Brown și purtător de cuvânt al LZ.

O fantomă cosmică: enigma pe care fizica o vânează de un secol

Încă din anii 1930, astrofizicienii și-au dat seama că ceea ce se vede în cosmos nu se potrivește întru totul cu modelele Universului. Se pare că acolo există o masă suplimentară, care interacționează cu materia obișnuită în principal prin influența ei gravitațională.

Fiindcă nu emite și nici nu reflectă lumina, substanța a fost denumită „materie întunecată”.

Nu se știe exact ce formă are, așa că o serie de experimente au căutat diferiți candidați potențiali, fără succes. LZ este doar unul dintre aceste experimente și a fost conceput special pentru a detecta semnalele unui candidat pe care fizicienii îl numesc particule masive cu interacțiune slabă sau WIMP.

După cum sugerează numele, această formă de materie întunecată ar fi alcătuită din particule discrete, cu mase mari și cu interacțiuni doar slabe cu materia obișnuită, greu de detectat. În termeni practici, e ca și cum miliarde de astfel de particule fantomă ar traversa palma noastră în fiecare secundă, ca o boare prin ceață, fără să atingă vreun atom. Doar printr-o coliziune cosmică extrem de rară – o dată la câteva miliarde de treceri – o particulă WIMP ar lovi frontal nucleul unui atom de materie obișnuită, eliberând o fracțiune infimă de energie.

În majoritatea cazurilor, particulele WIMP ar trebui să traverseze materia obișnuită fără să lase vreo urmă. Foarte rar însă, una dintre ele s-ar putea ciocni de un atom de materie obișnuită, generând o strălucire slabă de lumină și electroni.

Capcana din adâncuri: cum funcționează detectorul cu xenon LUX-ZEPLIN

Detectorul a fost construit pentru a surprinde exact aceste interacțiuni greu de captat. În esență, este un rezervor uriaș de xenon lichid, acoperit de un strat subțire de xenon gazos. Dacă o particulă WIMP trece în viteză și lovește un atom, produce o strălucire de lumină, captată de fotodetectoarele dispuse pe fundul rezervorului.

Mecanismul funcționează ca o cameră de supraveghere tridimensională: prima sclipire (lumina directă a impactului) oferă momentul zero, iar a doua sclipire (produsă când electronii eliberați ajung în gaz) dezvăluie adâncimea exactă a coliziunii. Raportul dintre cele două semnale este o veritabilă „amprentă digitală” – el arată dacă particula a lovit un electron (semnătura zgomotului de fond banal) sau a lovit direct nucleul atomic, așa cum ar face-o o particulă de materie întunecată.

Pentru a opri potopul de particule cosmice care bombardează zilnic suprafața Terrei, experimentul a fost coborât sub un scut natural de rocă gros de 1,5 kilometri, într-o fostă mină de aur din Dakota de Sud. Urmează un rezervor de apă care îl înconjoară pe cel plin cu xenon și, la final, un detector de radiații capabil să identifice alte tipuri de evenimente.

Împreună, aceste măsuri de precauție reduc la minimum particulele nedorite provenite din razele cosmice sau din radioactivitatea de fond.

Ce a înregistrat detectorul pe 16 iunie 2023

Analizând datele colectate în ultimii ani, fizicienii au identificat un semnal intrigant. Pe 16 iunie 2023, LZ a detectat două fulgerări de lumină cu energii exact potrivite pentru a proveni de la un WIMP care s-a ciocnit cu un nucleu atomic în rezervorul de xenon.

După identificarea candidatului, cercetătorii au petrecut luni întregi analizând datele, pentru a vedea dacă evenimentul putea fi explicat cu ușurință prin procese de fond cunoscute.

Energia evenimentului era prea mare pentru a fi vorba de neutroni sau neutrini — care, în plus, ar fi produs și împrăștieri cu energie mai mică, ce nu au fost detectate.

O rază gamma rătăcită ar fi fost o altă pistă, însă scenariul este la fel de neverosimil: pentru a genera acel semnal unic, raza ar fi trebuit să parcurgă o distanță anomal de mare prin rezervor și să păcălească toate detectoarele exterioare fără să lase nicio altă urmă. Nici ipoteza a două evenimente banale și independente, suprapuse la un interval infim de timp, nu rezistă calculului statistic.

Excluzând pe rând toți suspecții obișnuiți, modelul care descrie cel mai fidel datele rămâne cel al unei particule WIMP cu o masă de peste 200 de gigaelectronvolți – adică de peste 200 de ori mai grea decât un proton din componența atomilor noștri.

„Evenimentele aberante din date nu sunt neașteptate, dar de obicei se evidențiază ca un fel de fond atunci când le analizezi mai în profunzime. Acesta este primul exemplu, dintre toate experimentele la care am lucrat, al unui eveniment atipic care pare valid din toate punctele de vedere. Desigur, încă ne frământăm mințile încercând să ne dăm seama dacă există vreun mecanism de fond rar pe care l-am fi putut omite, dar este palpitant să ne întrebăm dacă acesta ar putea fi primul indiciu al unei observații a materiei întunecate.”, a spus Aaron Manalaysay, fizician la Berkeley Lab.

Semnal real sau iluzie statistică? Pragul de „5 sigma” care desparte speranța de certitudine

Înainte ca cineva să deschidă șampania, o precizare: această detectare nu a atins încă pragul de 5 sigma de semnificație statistică, necesar pentru a revendica o nouă descoperire în fizica particulelor. Acel prag ar însemna o șansă de aproximativ 1 la 3,5 milioane ca efectele de fond să producă în mod aleatoriu rezultatul observat.

Noul rezultat al experimentului LZ se situează în prezent la un nivel de semnificație de 2,6 sigma, ceea ce plasează probabilitatea unei erori la 1 la 200. Va fi nevoie de mult mai multe date și de mai multe detectări înainte ca descoperirea materiei întunecate să poată fi considerată certă.

Dincolo de prudența metodologică – studiul a fost trimis spre evaluare colegială revistei Physical Review Letters și este disponibil ca preprint pe serverul arXiv –, semnalul din 16 iunie 2023 rămâne cel mai palpabil fior înregistrat vreodată în căutarea materiei întunecate.

Dacă viitoarele date vor confirma că această scânteie din adâncuri nu a fost o simplă coincidență statistică, fizica nu doar că va bifa o particulă nouă pe o listă, ci va deschide prima fereastră directă către arhitectura invizibilă care ține laolaltă galaxiile și întregul nostru Univers.

Merită să știe și alții asta?

Votează dacă ți-a plăcut articolul.

DA NU