43 GeV:n gammasädeviiva voi vihjata pimeään aineeseen – löytöä se ei vielä ole

Kiinan tiedeakatemiaan liittyvien tutkijoiden johtama ryhmä raportoi kapean gammasäteen ylimäärän noin 43,2 gigaelektron voltin (GeV) energialla. Tulos perustuu 15,5 vuoden ajan julkisesti saatavilla olleisiin Fermi Large Area Telescope -havaintoihin. Tutkimuksessa tarkasteltiin 13 lähialueen massiivista galaksijoukkoa, joista suurimman osuuden signaalista näyttävät tuottavan Neitsyen, Fornaxin ja Ophiuchuksen joukot. 18

Tulos on kiinnostava, koska kapea gammasädeviiva kuuluu joidenkin pimeän aineen mallien ennustamiin puhtaimpiin epäsuoriin merkkeihin. Kyse on kuitenkin vasta ehdokassignaalista – ei vahvistetusta pimeän aineen havainnosta.

Mitä tutkijat raportoivat?

Tutkijat yhdistivät useiden galaksijoukkojen suunnista tehdyt havainnot niin sanotulla pinoamisanalyysillä. Menetelmässä heikkoja signaaleja pyritään vahvistamaan tarkastelemalla useita kohteita yhdessä.

Raportoitu viivamainen piirre keskittyy noin 43,2 GeV:n kohdalle, ja se näkyy edelleen, kun analyysiin lisätään muita lähialueen galaksijoukkoja. Kolme joukkoa – Neitsyt, Fornax ja Ophiuchus – vaikuttavat silti tulokseen eniten, koska niiden odotetaan tuottavan voimakkaimman pimeän aineen signaalin. 18

Neitsyen, Fornaxin ja Ophiuchuksen muodostamalle alijoukolle ilmoitettu testisuure eli TS-arvo on noin 30. Se kuvaa piirteen voimakkuutta juuri tässä analyysissä. Arvoa ei kuitenkaan pidä tulkita automaattisesti varmaksi, kaikki kokeilut huomioivaksi löytömerkitsevyydeksi. 18

Miksi terävä viiva voisi liittyä WIMP-hiukkasiin?

WIMP-hiukkaset ovat hypoteettisia, heikosti vuorovaikuttavia massiivisia hiukkasia, joita on pitkään pidetty yhtenä pimeän aineen mahdollisena selityksenä.

Joissakin malleissa kaksi WIMP-hiukkasta voisi annihiloitua eli muuttua toiseksi energiaksi ja tuottaa kaksi fotonia. Jos hiukkaset liikkuvat toisiinsa nähden hitaasti, fotoneilla olisi lähes sama energia. Tällöin gammasäteilyn spektriin syntyisi kapea viiva.

Tämä eroaisi monista tavallisista gammasädelähteistä. Kosmisten säteiden törmäykset ja monet astrofysikaaliset kiihdyttimet tuottavat yleensä laajemman energiaspektrin, eivät yhtä terävää piirrettä.

Jos viiva löytyisi lisäksi juuri niistä kohteista, sillä olisi pimeälle aineelle ennustettu energia ja sen kulmajakauma vastaisi pimeän aineen jakaumaa, kyse olisi poikkeuksellisen vakuuttavasta epäsuorasta todisteesta. Siksi vahvistettua gammasädeviivaa kuvataan joskus ilmauksella ”smoking gun” eli ratkaiseva todistuskappale.

Tässä vaiheessa ilmaus kuvaa signaalin mahdollista tunnusomaisuutta, ei nykyisen tuloksen varmuutta.

Pelkkä 43,2 GeV:n fotoni ei myöskään kerro suoraan pimeän aineen hiukkasen massaa. Yhteys riippuu siitä, millä annihilaatiokanavalla hiukkaset muuttuvat fotoneiksi ja millaiseen malliin tulkinta perustuu. Energia on siis osoitus mahdollisesta prosessista, ei itsenäinen WIMP-massan mittaus.

Miten instrumenttivirhettä etsittiin?

Analyysissä käytettiin Fermin Pass 8 -aineistoa. Tutkijat tarkastelivat kontrollinäytteitä ja instrumenttiin liittyviä muuttujia etsiessään samanlaista piirrettä alueilla, joilla galaksijoukon gammasädesignaalia ei pitäisi olla.

Kirjoittajien tulkinnan mukaan tarkistukset eivät paljastaneet ilmeistä ilmaisimen tuottamaa 43 GeV:n viivaa. 23

Tämä on tärkeä testi, mutta se ei poista kaikkia systemaattisten virheiden mahdollisuuksia. Signaaliin voivat vaikuttaa esimerkiksi kalibrointi, energian rekonstruointi, havaintoajan mallintaminen, tapahtumien valinta sekä diffuusin taustan ja pistelähteiden epätäydelliset mallit.

Yhdessä analyysissä säilynyt piirre voi heikentyä tai kadota, kun aineisto käsitellään uudelleen tai samaa kysymystä tutkitaan toisella menetelmällä.

Miksi tulokseen pitää suhtautua varauksella?

Useat seikat rajoittavat johtopäätöksiä:

• Signaali ei ole täysin uusi. Aiemmissa Fermi-analyyseissä raportoitiin alustava noin 43 GeV:n piirre lähialueen galaksijoukoissa. Myöhempi 11,4 vuoden Fermi-LAT-aineistoon perustunut tutkimus ei kuitenkaan löytänyt tilastollisesti merkitsevää viivaa. Piirre heikkeni huomattavasti, kun tietty tapahtumatyyppi jätettiin pois. 19 22
• Tulos perustuu yhteen instrumenttiin ja valikoituun kohdejoukkoon. Pinoaminen parantaa herkkyyttä, mutta samalla tulos riippuu kohteiden valinnasta, galaksijoukkojen mallintamisesta ja kunkin joukon taustasäteilyn käsittelystä.
• Pimeän aineen ennuste on malliriippuvainen. Odotettu signaali riippuu galaksijoukkojen pimeän aineen tiheysjakaumasta, mahdollisista pienrakenteista, annihilaatiokanavasta ja vuorovaikutuksen voimakkuudesta.
• Viivamainen tilastollinen vaihtelu on yhä mahdollinen. Myös astrofysikaalinen säteily tai tunnistamaton analyysin systemaattinen virhe voi jäljitellä kapeaa spektripiirrettä.

Varovaisin ja reiluin kuvaus onkin: kyseessä on pimeän aineen tulkintaan sopiva ehdokas gammasädeviiva, ei todiste siitä, että WIMP-hiukkaset olisi tunnistettu.

Eri asia kuin Linnunradan noin 20 GeV:n halo

Galaksijoukkojen tulos on eri havainto kuin Tomonori Totanin erillinen Fermi-LAT-analyysi. Totani tarkasteli noin 15 vuoden havaintoja Linnunradan ympäriltä ja raportoi laajan, halomaisen ylimäärän, jonka spektri saavutti huippunsa noin 20 GeV:n kohdalla. Hänen mukaansa säteilyn spektri ja muoto voisivat sopia pimeän aineen annihilaatioon. 1

Kyse on kahdesta erilaisesta ilmiöstä:

• Galaksijoukkoanalyysi koskee kapeaa, noin 43,2 GeV:n viivaa kaukaisten galaksijoukkojen suunnissa.
• Totanin analyysi koskee laajaa, noin 20 GeV:n ylimäärää Linnunradan halossa.

Toinen tulos ei suoraan vahvista toista. Yhden WIMP-mallin pitäisi selittää molemmat energiat, avaruudelliset muodot ja mahdolliset muut hiukkassignaalit johdonmukaisesti.

Eräässä erillisessä analyysissä on lisäksi arvioitu, että 20 GeV:n ylimäärän pimeän aineen tulkinta voisi ennustaa antiprotonivuon, joka ylittäisi AMS-02-mittaukset. Tämä havainnollistaa, miksi ehdotettuja gammasädesignaaleja on verrattava myös muihin niin sanotun moniviestinvälitteisen tutkimuksen havaintoihin. 2

Samoin analyysi, joka ei pysty sulkemaan pimeää ainetta pois Linnunradan keskuksen gammasädehehkun lähteenä, ei ole positiivinen havainto. Se tarkoittaa vain, ettei pimeää ainetta ole pystytty erottamaan vaihtoehdoista, kuten havaitsemattomista pulsareista tai diffuusin säteilyn mallinnusvirheistä.

Millä signaali voitaisiin vahvistaa tai kumota?

Seuraavien testien pitäisi tehdä signaalista mahdollisimman vaikea selittää pelkkänä mittausartefaktina tai taustamallin ylisovittamisena.

Lisää Fermi-dataa ja riippumattomia analyysitapoja

Uudet havainnot voivat osoittaa, kasvaako ylimäärä datamäärän karttuessa odotetulla tavalla. Tutkijat voivat myös tarkistaa, säilyykö viiva eri tapahtumaluokissa, tulokulmissa, ajanjaksoissa ja energianrekonstruktion valinnoissa.

Lisäksi kohteet ja kontrollinäytteet voidaan valita toisistaan riippumatta. Aito taivaallinen viiva pysyisi samalla energialla eikä riippuisi voimakkaasti yksittäisestä ilmaisinkokoonpanosta tai kapeasta datan valintatavasta.

Riippumattomat gammasädeinstrumentit

Erityisen tärkeä vahvistus olisi havainto toisella instrumentilla, jolla on riittävä energianerotuskyky kymmenien GeV:ien alueella. Esimerkiksi avaruudessa toimiva DAMPE voisi etsiä samaa piirrettä samoista galaksijoukoista. Myös tulevat tai täydentävät maanpäälliset gammasädeobservatoriot voivat olla hyödyllisiä, jos niiden havaintoalue ja herkkyys sopivat tähän energialuokkaan.

Vahvin vahvistus yhdistäisi kolme asiaa: saman energian, samat galaksijoukot ja kulmajakauman, joka vastaa pimeälle aineelle ennustettua profiilia. Riittävän herkkä nollahavainto puolestaan heikentäisi tulkintaa tai rajoittaisi ehdotettua annihilaation voimakkuutta.

Muut hiukkas- ja astrofysiikan havainnot

Galaksijoukkotulosta pitäisi verrata myös kääpiögalaksien gammasädehavaintoihin, muihin annihilaatiokanaviin, kosmisiin säteisiin sekä kosmologisiin ja hiukkasfysiikan rajoitteisiin. Pimeän aineen mallin ei pitäisi selittää yhtä ylimäärää vain synnyttääkseen väistämättömän ristiriidan jossakin toisessa mittauksessa.

Toinen lähestymistapa: aaltomaisen pimeän aineen etsiminen kubiteilla

Tokion yliopistoon liittyvissä kvanttisensoriehdotuksissa tutkitaan aivan eri pimeän aineen aluetta. GeV-energian WIMP-annihilaation sijaan niissä etsitään erittäin kevyitä, aaltomaisesti käyttäytyviä ehdokkaita, kuten piilofotoneja ja aksioneja.

Piilofotonikenttä voisi synnyttää erittäin heikon, värähtelevän sähkökentän. Kun sen taajuus vastaisi suprajohtavan transmon-kubitin resonanssia, kenttä voisi virittää kubitin perustilasta ylemmälle energiatasolle. Aksionikokeessa ulkoinen magneettikenttä voisi muuntaa aksionikentän värähteleväksi sähköiseksi signaaliksi, joka puolestaan virittäisi kubitin. 33 36

Laadukas mikroaaltokav iteetti voisi vahvistaa vuorovaikutusta varastoimalla sähkömagneettista kenttää. Lomittuneet kubitit ja vaiheherkät mittaukset voisivat kerätä signaalia koherentisti tai nopeuttaa taajuusalueen läpikäyntiä. Joidenkin ehdotettujen kvantti-interferenssijärjestelmien signaalinopeus skaalautuisi kubittien määrän mukana suotuisammin kuin toisistaan riippumattomien sensorien yksinkertainen yhteenlasku. 34 37

Keskeinen haaste on dekoherenssi. Lämpöfotonit, kaviteetin häviöt, ohjausvirheet, lomittumisen valmistelun epätäydellisyys ja lukukohina voivat tuhota vaihe-informaation, johon kvanttihyöty perustuu.

Käytännön kokeessa tarvittaisiin siksi erittäin kylmiä ja hyvin suojattuja kaviteetteja, pitkäikäisiä kubitteja, tarkasti kalibroitu sähkömagneettinen ympäristö, toistuvia koherentteja mittauksia ja tehokkaita virheiden lievitysmenetelmiä.

Kubitit ja kaviteetit ovat lupaavia ehdotettuja mittausmenetelmiä, eivät merkki siitä, että aaltomainen pimeä aine olisi jo havaittu. Ne osoittavat samalla, miksi pimeää ainetta etsitään useilla tekniikoilla: gammasädeviiva, kubitin virittyminen ja kosmisten säteiden signaali tutkivat eri ehdokkaita ja erilaisia fysikaalisia mekanismeja.

Lopputulos

Kiinan johtama Fermi-analyysi raportoi kiinnostavan, noin 43,2 GeV:n viivamaisen gammasädesignaalin lähialueen galaksijoukoista, erityisesti Neitsyen, Fornaxin ja Ophiuchuksen suunnista. Signaalin kapea muoto on teoriassa merkittävä, koska WIMP-hiukkasten suora annihilaatio fotoneiksi voisi tuottaa vastaavan terävän piirteen. 18

Aiemmat alustavat gammasädeviivat ja vastaavan noin 43 GeV:n piirteen myöhempi vahvistamatta jääminen ovat kuitenkin vahva muistutus varovaisuudesta. Tulos on tällä hetkellä hypoteesi, joka odottaa toistamista.

Lisää Fermi-havaintoja, riippumattomia instrumentteja, vaihtoehtoisia taustamalleja ja muita hiukkasfysiikan testejä tarvitaan ratkaisemaan, onko kyse harvinaisesta pilkahduksesta pimeään aineeseen vai vakuuttavan näköisestä piirteestä vaikeasti tulkittavassa gammasädeaineistossa.