XENONnT oppdager solnøytrinoer ved rekordlav energi

XENONnT ble bygget for å lete etter WIMPs – hypotetiske partikler som kan utgjøre mørk materie. Men den ekstreme følsomheten som kreves i dette søket, gjør også det underjordiske eksperimentet til et effektivt observatorium for solnøytrinoer.

I en kunngjøring fra XENON-samarbeidet ved Laboratori Nazionali del Gran Sasso i Italia ble det meldt om den første observasjonen av lavenergetiske solnøytrinoer som sprer seg på elektroner i XENONnT. Målingen utvider grensen for direkte observasjon av nøytrinoer til rundt 17 keV – det laveste energinivået som er rapportert for slike observasjoner. 22

Et nøytrino gir et nesten usynlig støt

Nøytrinoer samhandler svært sjelden med stoff. Når et solnøytrino likevel kolliderer elastisk med et elektron i det flytende xenonet, overfører det en liten mengde energi til elektronet.

Rekylen lager to signaler i detektoren:

• et øyeblikkelig lyssignal fra det flytende xenonet,
• et nytt signal av elektroluminescens når de frigjorte elektronene trekkes opp i gassfasen.

Ved å kombinere signalene kan forskerne rekonstruere både energien og posisjonen til hendelsen. De trenger derfor ikke å identifisere ett enkelt «treff» fra et nøytrino. I stedet ser de etter det statistiske mønsteret som mange elektronrekyler skal danne, og sammenligner det med mulige radioaktive og instrumentelle bakgrunner.

Grensen på rundt 17 keV viser til energien til nøytrinoene som ble tilgjengelige i målingen. Det betyr ikke at hvert elektron mottar akkurat 17 keV. Den tilgjengelige kunngjøringen beskriver resultatet som den første observasjonen av lavenergetiske solnøytrinoer, med et signal som hovedsakelig består av pp-nøytrinoer. 22

Hva er pp-nøytrinoer?

pp-nøytrinoer dannes i det første trinnet i proton–proton-kjeden, altså fusjonsprosessen som gradvis omdanner hydrogen til helium i Solens kjerne:

[
p+p\rightarrow d+e^++\nu_e
]

Denne kjeden er den viktigste kilden til Solens energi. pp-nøytrinoene er derfor direkte budbringere fra fusjonsreaksjonene som holder Solen lysende.

Det gjør dem spesielt verdifulle for solfysikken. Lys bruker lang tid på å bevege seg fra Solens kjerne til overflaten, mens nøytrinoer forlater området der de dannes, nesten uten å bli hindret. En måling av pp-komponenten gir dermed en mer direkte kontroll av fusjonen i Solens indre enn observasjoner av sollyset alene.

Hvorfor kunne XENONnT se signalet?

I sentrum av XENONnT står et tofaset tidsprojeksjonskammer med 5,9 tonn flytende xenon som aktivt målmateriale. Den store massen øker sjansen for sjeldne vekselvirkninger, mens kombinasjonen av lys- og ionisasjonssignaler gir informasjon om hvor og med hvilken energi en hendelse fant sted. 5

Den største utfordringen er likevel bakgrunnen. Radon og radioaktive nedbrytningsprodukter kan skape elektronrekyler som ligner på dem solnøytrinoer lager. XENON-samarbeidet har derfor utviklet kontinuerlig kryogen destillasjon, som fjerner radon fra xenonet mens eksperimentet er i drift.

Aktiviteten fra (^{222}\mathrm{Rn}) i det aktive målet ble redusert til rundt (0,90\ \mu\mathrm{Bq/kg}). På dette nivået er radonbakgrunnen sammenlignbar med den uunngåelige bakgrunnen fra solnøytrinoer. 1819

Det faktum at anlegget ligger dypt under Gran Sasso, beskytter i tillegg mot hendelser forårsaket av kosmisk stråling. Resultatet er et svært stille målemiljø der forskerne kan lete etter nøytrinosignalet gjennom statistisk tilpasning av energispekteret, i stedet for at signalet drukner i falske hendelser. 22

Et nytt kanalvalg etter 8B-resultatet

Den nye målingen bruker en annen type vekselvirkning enn resultatet XENONnT annonserte i 2024. Da lette forskerne etter 8B-nøytrinoer gjennom koherent elastisk nøytrino–kjernespredning, kjent som CEνNS. I denne prosessen gir nøytrinoet et lite rekylstøt til xenonkjernen. Analysen ga en indikasjon på 2,73 standardavvik – ikke en oppdagelse med 5 standardavvik. 23

Den nye lavenergimålingen bygger derimot på nøytrino–elektron-spredning. Dermed kan samme detektor registrere to ulike typer signaturer fra solnøytrinoer:

• elektronrekyler fra spredning på elektroner, der lavenergetiske pp-nøytrinoer dominerer,
• kjernerekyler fra CEνNS, som i målingen av 8B-nøytrinoer.

Forskjellen er viktig fordi de to kanalene åpner ulike vinduer mot Solens energispekter og fysikken i solkjernen.

«Nøytrinoskyen» kan bli mørk materies største utfordring

For eksperimenter som leter etter mørk materie, er solnøytrinoer både et mål og en forstyrrelse. De representerer ekte fysikk som kan måles, men rekylene deres kan også ligne på signaler fra WIMPs. Nøytrinoene kan ikke ganske enkelt skjermes bort: De passerer gjennom stoff nesten uten å bli påvirket.

Denne uunngåelige bakgrunnen omtales ofte som «nøytrinoskyen» eller «nøytrino-tåken». Det er ikke en absolutt og ugjennomtrengelig grense. Energiformen til signalet, sammenligninger mellom ulike målmaterialer, retningsinformasjon og bedre kunnskap om solnøytrino-fluksene kan fortsatt gjøre det mulig å skille et WIMP-signal statistisk.

Men etter hvert som følsomheten øker, blir framgangen vanskeligere, og systematiske usikkerheter får større betydning. XENONnTs tidligere CEνNS-indikasjon var et av de første direkte eksemplene på denne kjernebakgrunnen i en detektor bygget for mørk materie. 12

XLZD skal gjøre målingene langt større

XLZD planlegges som et neste generasjons observatorium for flytende xenon. Det skal ha et aktivt mål på rundt 60 tonn, med mulighet for å øke dette til 80 tonn. Det tilsvarer omtrent én størrelsesorden mer aktivt xenon enn i XENONnT, og vil øke eksponeringen både for WIMP-søk og nøytrinomålinger. 3235

En større detektor betyr ikke bare flere hendelser. Den kan også gjøre det mulig å måle fluksen og energispekteret til pp-nøytrinoene mer presist, samt undersøke hvor stor andel av elektronnøytrinoene som overlever reisen fra Solen til Jorden. Samtidig er XLZD planlagt for å utforske området der WIMP-hendelser nærmer seg bakgrunnen fra nøytrinoskyen. 3239

XENONnT-resultatet viser dermed at søket etter mørk materie og solnøytrinoastronomi ikke lenger er to adskilte prosjekter. Den samme renheten, lave støyen og detektorteknologien som trengs for å finne et ekstremt sjeldent WIMP-signal, kan også avsløre nesten usynlige spor etter fusjonen i Solens kjerne.