LZ zaznamenal anomální událost, na důkaz temné hmoty je však příliš brzy

LUX-ZEPLIN (LZ) nezjistil temnou hmotu. V datech ale našel jednu nezvyklou událost, kterou se zatím nedaří přesvědčivě přiřadit ke známým zdrojům pozadí. Právě proto stojí za pozornost — a právě proto ji nelze vydávat za objev.

Co přesně LZ našel

Detektor LZ, umístěný téměř 1,5 km pod zemí v podzemní laboratoři Sanford v Jižní Dakotě, používá kapalný xenon k hledání mimořádně vzácných srážek. Při rozšířené analýze zaměřené na vysokoenergetické jaderné zpětné rázy vědci prozkoumali 220 „živých“ dnů dat nasbíraných mezi březnem 2023 a dubnem 2024. 17

V expozici 2,84 tunoroku se objevila jedna událost slučitelná se zpětným rázem jádra xenonu o energii přibližně 248 keV. Ležela v oblasti, kde se očekává jen velmi málo známého běžného pozadí. Cílem rozšířeného energetického okna — zhruba až k 270 keV — bylo hledat i nestandardní scénáře WIMPů, například nepružné interakce či modely popisované efektivní teorií pole, které mohou vytvářet energetičtější zpětné rázy. 17

Proč je 2,6σ zajímavých, ale nestačí to

Po započtení takzvaného efektu „hledání na více místech“ vychází globální významnost události na 2,6σ. Jinými slovy: pokud by platil model známých pozadí, šance na podobnou odchylku je přibližně 0,5 %. Nejvyšší lokální významnost mezi testovanými modely dosáhla 3,4σ.

To rozhodně není zanedbatelné, ale ve fyzice částic se za standard pro vyhlášení objevu považuje 5σ. Jeden záznam navíc nemůže ukázat, zda jde o opakovatelný fyzikální signál, statistickou náhodu, nebo vzácný typ pozadí, který dosavadní model nezachytil. Samotná spolupráce LZ proto mluví o dosud nejsilnějším náznaku ve svých datech, nikoli o detekci temné hmoty. 17

Těžký WIMP, nebo neznámé pozadí?

Jedním z možných výkladů je srážka s WIMPem, tedy hypotetickou slabě interagující masivní částicí — dlouhodobě zvažovaným kandidátem na temnou hmotu. V takovém výkladu by šlo pravděpodobně o částici s hmotností nejméně kolem 200 GeV/c², tedy více než 200násobkem hmotnosti protonu, a její interakce by nebyla tou nejjednodušší, standardně uvažovanou spinově nezávislou variantou. 17

Druhá, a zatím zcela reálná možnost: událost způsobil vzácný proces obyčejné hmoty nebo kombinace signálů v detektoru, kterou model pozadí dosud neobsahuje. Takové anomálie se při dalším prověřování často ukážou jako pozadí. Proto bude klíčové, zda se obdobné události objeví znovu — se shodnou energií a rozložením v objemu detektoru.

Další data budou rozhodující

LZ pokračuje ve sběru dat s cílem dosáhnout expozice 1 000 živých dnů a už má k dispozici větší soubor dat, než využila tato analýza. Pokud za událostí stojí populace těžkých WIMPů, měly by přibýt další kandidátní srážky odpovídajícího charakteru. Jestli šlo o statistickou fluktuaci nebo přehlédnuté pozadí, signál se naopak nejspíš nepotvrdí. 17

Dlouhodobě má podobné otázky posunout projekt XLZD, navrhovaný nástupce současných xenonových experimentů pro polovinu 30. let. Jeho xenonový terč by měl být zhruba řádově větší než u dnešních zařízení. To by významně zvýšilo citlivost i schopnost rozlišovat pozadí: buď by se případný signál těžkých WIMPů dal důkladně otestovat, nebo by experimenty takové výklady vytlačily k mnohem menším účinným průřezům. XLZD má vedle hledání temné hmoty mířit také na přesná měření nízkoenergetických slunečních neutrin. 12

Co s tím má společného XENONnT

Výsledek LZ je třeba odlišovat od samostatného úspěchu italského experimentu XENONnT. Ten oznámil první pozorování nízkoenergetických slunečních neutrin rozptylujících se elasticky na elektronech s významností 5σ. Signálu dominují neutriny z proton-protonového řetězce, tedy z hlavní reakce pohánějící Slunce. Detekční práh odpovídal energiím neutrin zhruba 17 keV, což je dosud nejnižší oznámený práh přímé detekce neutrin. 69

XENONnT už v roce 2024 oznámil první náznak měření slunečních neutrin boru-8 prostřednictvím koherentního elastického rozptylu na atomových jádrech (CEνNS). Tento proces vytváří jaderné zpětné rázy, a proto se signálem velmi podobá tomu, který hledají xenonové experimenty při pátrání po WIMPech. Analýza zaznamenala 37 událostí při očekávaném pozadí 26,4 události; hypotéza samotného pozadí byla odmítnuta s významností 2,73σ. 311

LZ a XENONnT tak ukazují proměnu oboru: ultravýkonné xenonové časoprostorové komory nejsou jen „lovci“ temné hmoty. Stávají se observatořemi vzácných jevů, které zároveň měří sluneční neutrina, testují jejich interakce a zdokonalují kontrolu pozadí nutnou pro budoucí experimenty na hranici takzvané neutrinové mlhy. 19