Yksi poikkeava tapahtuma herättää LZ:ssä kiinnostuksen, ei löytöväitettä

LUX-ZEPLIN eli LZ on havainnut yhden poikkeavan tapahtuman, joka voisi periaatteessa sopia pimeän aineen hiukkasen aiheuttamaksi. Se ei kuitenkaan ole pimeän aineen löytö. Tapahtuma on kiinnostava, koska se osui poikkeuksellisen puhtaalle hakualueelle, mutta yksi havainto ja 2,6 sigman kokonaismerkitsevyys eivät vielä riitä erottamaan uutta fysiikkaa tilastollisesta sattumasta tai tuntemattomasta taustasta. 17

Mitä LZ havaitsi?

LZ analysoi 220 todellista havaintopäivää maaliskuun 2023 ja huhtikuun 2024 väliltä. Analyysissä laajennettiin tavanomaista WIMP-hakua korkeampiin ytimen rekyylien energioihin, noin 270 keV:iin asti. Tavoitteena oli etsiä myös pimeän aineen malleja, joissa törmäykset voivat painottua tavallista korkeampiin energioihin. 17

Aineistosta löytyi yksi tapahtuma, joka vastaa ksenonatomin ytimen noin 248 keV:n rekyyliä. Tarkastelun altistus oli noin 2,84 tonnivuutta, ja kyseisellä alueella tunnettuja tavanomaisia taustoja ennustetaan vähän.

Tilastollinen tulos ei silti ylitä löytöön vaadittavaa tasoa:

• paikallisesti suurin poikkeama eri testatuissa malleissa oli 3,4 σ;
• kun huomioidaan se, että aineistosta etsittiin poikkeamia useilla malleilla ja alueilla, kokonaismerkitsevyys putoaa 2,6 σ:aan;
• tämä vastaa suunnilleen 0,5 prosentin todennäköisyyttä sille, että tunnetut taustat tuottaisivat vastaavanlaisen poikkeaman.

Hiukkasfysiikassa löydöstä väitetään yleensä vasta 5 σ:n tasolla. Yksi ainoa tapahtuma ei myöskään voi osoittaa, että signaali toistuu tai että sen energia- ja sijaintijakauma vastaa pimeän aineen ennustetta. 17

Miksi yksi tapahtuma on silti kiinnostava?

Tapahtuma ei sovi helposti LZ:n nykyisiin tunnettujen taustojen malleihin. Siksi yhteistyöryhmä raportoi sen avoimesti jatkotutkimuksia varten. Juuri tässä on tuloksen kiinnostavuus: se on harvinainen havainto alueella, jossa kilpailevia selityksiä odotetaan vähän. 17

Varovaisuus on silti välttämätöntä. Harvinaisissa tapahtumissa taustamallista voi puuttua esimerkiksi jokin epätavallinen ilmiöketju tai ilmaisimen signaalien yhdistelmä. LZ:n tutkijat ovat käyneet läpi useita tällaisia mahdollisuuksia ja korostavat, että aiemmin poikkeavilta näyttäneet yksittäiset tapahtumat ovat usein lopulta saaneet tavanomaisen taustaselityksen. 17

Millainen pimeän aineen hiukkanen voisi selittää havainnon?

Jos kyse olisi WIMPistä – heikosti vuorovaikuttavasta massiivisesta hiukkasesta, joka on yksi pimeän aineen ehdokkaista – tulos viittaisi melko raskaaseen hiukkaseen. LZ:n mukaan massan pitäisi olla vähintään noin 200 GeV/c², eli yli 200 protonimassan luokkaa. Lisäksi vuorovaikutus ei näyttäisi vastaavan yksinkertaisinta spinistä riippumatonta WIMP-mallia. 17

Tämä on kuitenkin vain mahdollinen tulkinta yhdelle tapahtumalle, ei mitattu hiukkasen ominaisuus.

Ratkaiseeko lisäaineisto arvoituksen?

LZ jatkaa aineiston keruuta kohti 1 000 todellisen havaintopäivän kokonaisuutta, ja yhteistyöllä on jo tätä analyysiä suurempi aineisto käsittelemättä. Jos kyseessä on todellinen WIMP-signaali, lisäaineistossa pitäisi näkyä uusia tapahtumia, joiden energiat ja paikat ilmaisimessa muodostavat johdonmukaisen kuvion. Jos taas havainto oli sattumaa tai tuntematon tausta, kuvio ei todennäköisesti toistu. 17

Pidemmällä tulevaisuudessa suunnitteilla oleva XLZD-observatorio voisi tuoda ratkaisevasti lisää herkkyyttä. Mid-2030-luvulle kaavaillun laitteen ksenonkohteen on tarkoitus olla suunnilleen kymmenen kertaa nykyisiä ilmaisimia suurempi. Se parantaisi sekä altistusta että kykyä erottaa taustoja mahdollisesta signaalista: pysyvä raskaan WIMP-hiukkasen populaatio voitaisiin testata huomattavasti varmemmin, tai tällaisille malleille asetettaisiin paljon tiukemmat rajat. 17

Ei pidä sekoittaa XENONnT:n neutriinohavaintoon

LZ:n yksittäinen korkeaenerginen ytimen rekyyli on eri tulos kuin XENONnT-kokeen tuore 5 σ:n havainto matalaenergisistä Auringon neutriinoista. XENONnT havaitsi neutriinoita niiden elastisesta sironnasta elektroneihin. Signaalia hallitsevat Auringon protoni–protoni-fuusioketjussa syntyvät pp-neutriinot, ja mittaus ulottuu noin 17 keV:n neutriinoenergiaan – alimmalle suorassa neutriinohavainnossa raportoidulle kynnykselle. 69

XENONnT raportoi jo vuonna 2024 myös ensimmäisen viitteen Auringon boori-8-neutriinoista koherentin elastisen neutrino–ytimen sironnan, CEνNS-prosessin, kautta. Siinä syntyy ytimen rekyylejä, jotka muistuttavat juuri sitä signaalityyppiä, jota ksenonilmaisimilla etsitään WIMP-pimeän aineen haussa. Analyysissä nähtiin 37 tapahtumaa, kun taustaa odotettiin noin 26,4 tapahtumaa; pelkkä taustahypoteesi hylättiin 2,73 σ:n merkitsevyydellä. 311

LZ ja XENONnT havainnollistavat, miten erittäin vähätaustaisista nestemäistä ksenonia käyttävistä aikaprojektiokammioista on tulossa monikäyttöisiä harvinaisten tapahtumien observatorioita. Ne etsivät pimeää ainetta, mittaavat Auringon neutriinoita elektronien ja atomiytimien rekyylien avulla sekä kehittävät taustojen hallintaa tulevia, neutriinojen aiheuttaman "sumun" rajoittamia kokeita varten. 169