Pimeän aineen etsintä sai kaksi uutta vihjettä – kumpikaan ei ole löytö

Pimeän aineen tutkimuksessa on nähty kaksi kiinnostavaa kehitystä eri puolilta: maan alla toimiva SuperCDMS SNOLAB on aloittanut ensimmäisen tieteellisen mittausjaksonsa, ja Fermi-avaruusteleskoopin pitkästä havaintoaineistosta on raportoitu kapea gammasäde-ylijäämä.

Kumpikaan tulos ei kuitenkaan vahvista pimeän aineen löytymistä. SuperCDMS on vasta kokeen varhaisessa tiedevaiheessa, ja gammasädesignaali on toistaiseksi lupaava vihje, joka on varmistettava riippumattomilla analyyseillä ja uusilla havainnoilla.

1. SuperCDMS aloitti ensimmäiset tieteelliset mittauksensa

Miksi koe on syvällä maan alla ja lähes absoluuttisessa nollapisteessä?

SuperCDMS SNOLAB sijaitsee noin kaksi kilometriä maan alla SNOLAB-tutkimuslaboratoriossa, joka toimii Vale Creighton -kaivoksessa Sudburyn lähellä Ontariossa Kanadassa. Ympäröivä kiviaines vaimentaa kosmisia säteitä ja muuta säteilyä, joka voisi jäljitellä pimeän aineen hiukkasen aiheuttamaa tapahtumaa. 81113

Ilmaisimet jäähdytetään noin 15 millikelviniin eli vain tuhannesosien asteen päähän absoluuttisesta nollapisteestä. Näin lämpökohina saadaan mahdollisimman pieneksi ja voidaan etsiä hyvin pieniä energiamääriä, joita pienen pimeän aineen hiukkasen törmäys kiteeseen voisi synnyttää. 1215

Mitä SuperCDMS etsii?

Koe koostuu 24 ilmaisimesta, joiden kohdemateriaaleina ovat germanium ja pii. Ilmaisimet on koottu torneihin, ja niiden avulla mitataan sekä lämpö- että sähkövarausmerkkejä. Eri mittaustavat auttavat yhdistämään erittäin matalan energiarajan taustasäteilyn tehokkaaseen erotteluun. 101114

SuperCDMS:n erityinen tehtävä on tutkia suhteellisen kevyitä pimeän aineen ehdokkaita. Tällaiset hiukkaset voivat jäädä suuremmilta kokeilta havaitsematta, jos ne on suunniteltu ensisijaisesti eri energia-alueilla toimivien raskaampien ehdokkaiden etsimiseen. 69

Mitä varhainen tiedevaihe tarkoittaa?

Ensimmäinen tiedonkeruu alkoi noin kuuden kuukauden käyttöönotto- ja säätöjakson jälkeen. Kyse ei vielä ole kokeen lopullisesta, täyden herkkyyden mittausjaksosta. Tutkijat käyttävät varhaista aineistoa ilmaisimien toiminnan tarkistamiseen, taustojen ymmärtämiseen ja analyysimenetelmien hiomiseen. Täysimittaisen etsinnän on määrä alkaa vuonna 2027. 12

Alkuvaiheen aineisto voi silti tuottaa hyödyllisiä rajoja pimeän aineen ominaisuuksille tai jopa yksittäisen kiinnostavan tapahtumaehdokkaan. Vahvin löytöpotentiaali syntyy kuitenkin vasta, kun järjestelmän toiminta ja taustailmiöt on tunnettu riittävän tarkasti.

2. Fermin aineistossa näkyy alustava 43,2 GeV:n gammasädeviiva

Mitä analyysissä havaittiin?

Toisessa tutkimuksessa käytiin läpi 15,5 vuoden ajan julkisesti saatavilla ollutta Fermi Large Area Telescope -teleskoopin aineistoa. Tarkastelussa oli 13 lähellä sijaitsevaa massiivista galaksijoukkoa. Analyysi raportoi noin 43,2 gigaelektronivoltin kohdalla kapean, viivamaisen gammasäde-ylijäämän. Vahvin osuus tuli Neitsyen, Fornaxin ja Ophiuchuksen galaksijoukoista.

Kapea gammasädeviiva on kiinnostava, koska jotkin pimeän aineen teoriat ennustavat hiukkasten annihilaation tuottavan fotoneja tietylle energialle. Yksi mahdollinen tulkinta on WIMP-hiukkasten eli heikosti vuorovaikuttavien massiivisten hiukkasten annihilaatio. Tällöin havainto olisi vihje hiukkasfysiikan ilmiöstä, ei suora mittaus itse pimeästä aineesta.

Miksi kyse ei ole vielä löydöstä?

Tilastollinen kiinnostavuus ei ole sama asia kuin varmistettu havainto. Analyysin raportoitu merkitsevyys on toimitetun kuvauksen mukaan noin 4,3 sigmaa, kun hiukkasfysiikassa löydön tavanomaisena rajana pidetään usein viittä sigmaa. Toisessa, aiheeseen liittyvässä konferenssiyhteenvedossa merkitsevyys laskee 3,7 sigmaan, kun niin sanottu look-elsewhere-vaikutus otetaan huomioon. Se tarkoittaa tilastollista korjausta tilanteessa, jossa dataa etsitään monista energia-alueista ja aineistovalinnoista.

Viivamainen signaali voi syntyä myös ilman pimeää ainetta. Mahdollisia selityksiä ovat esimerkiksi:

• astrofysikaalisten gammasäteen taustojen epätäydellinen mallinnus;
• sattumanvarainen tilastollinen vaihtelu, joka korostuu sopivia energia-alueita tai kohteita valittaessa; tai
• teleskoopin mittalaitteisiin, kalibrointiin tai tapahtumien valintaan liittyvä vaikutus.

Myös aiemmissa Fermi-LAT:n galaksijoukkoanalyyseissä nähtiin mahdollinen noin 43 GeV:n piirre, mutta maailmanlaajuisesti tilastollisesti merkitsevää gammasädeviivaa ei löytynyt. Siksi uusin tulos on tässä vaiheessa ennen kaikkea jatkotutkimuksen arvoinen johtolanka, ei todiste WIMP-hiukkasten havaitsemisesta.

Kaksi koetta etsii pimeää ainetta eri tavoin

SuperCDMS ja Fermi-LAT täydentävät toisiaan, koska ne testaavat erilaisia pimeän aineen ominaisuuksia:

• SuperCDMS on suoran havaitsemisen koe. Se odottaa, että pimeän aineen hiukkanen luovuttaa pienen määrän energiaa kylmässä germanium- tai piikiteessä.
• Fermi-LAT:n analyysi on epäsuora etsintä. Siinä etsitään säteilyä, jota pimeän aineen hiukkasten annihilaatio voisi synnyttää tiheissä kosmisissa rakenteissa.

Kummankin menetelmän mahdollinen positiivinen tulos on erotettava tavallisista taustailmiöistä ja vahvistettava lisäaineistolla. Erityisen vakuuttavaa olisi, jos riippumattomat menetelmät antaisivat toisiaan tukevan tuloksen. Siihen ei kuitenkaan ole vielä päästy.

Mitä seuraavaksi?

Maanalaisessa kokeessa seuraava tärkeä askel on siirtyminen käyttöönotosta ja varhaisesta tiedevaiheesta vuonna 2027 alkavaan täyden herkkyyden mittausjaksoon. Pidempi mittausaika ja tarkempi taustojen määrittäminen tarjoavat paremman testin kevyen pimeän aineen malleille. 26

Gammasädevihjeen kohdalla ratkaisevaa on toistettavuus. Uudet havainnot, parempi herkkyys ja tarkempi energiaerotuskyky voivat osoittaa, esiintyykö noin 43 GeV:n piirre toistuvasti samoissa galaksijoukoissa ja käyttäytyykö se pimeän aineen mallien ennustamalla tavalla. Myös riippumaton mittalaite olisi tärkeä tarkistus Fermin mahdollisille laitekohtaisille systemaattisille virheille.

NASA:n Nancy Grace Roman -avaruusteleskooppi lähestyy ongelmaa vielä kolmannesta suunnasta. Sen laaja-alaiset infrapunahavainnot ja gravitaatiolinssimittaukset auttavat kartoittamaan pimeän aineen jakautumista ja sen vaikutusta näkyviin galakseihin sen sijaan, että ne etsisivät WIMP-hiukkasia suoraan.

Kokonaisuus osoittaa, miksi pimeän aineen tutkimus etenee usealla rintamalla: tutkijat etsivät mahdollisia törmäyksiä Maassa, annihilaation tuotteita avaruudesta ja pimeän aineen gravitaatiovaikutuksia koko maailmankaikkeudesta. Varovaisin ja tällä hetkellä perustelluin johtopäätös on selvä: etsintä sai kaksi arvokasta uutta vihjettä, mutta vastausta ei ole vielä löytynyt.