Jeden anomalny sygnał w detektorze LZ: intrygujący ślad, ale nie dowód na ciemną materię

LUX-ZEPLIN (LZ) odnotował jedno nietypowe zdarzenie w rozszerzonym, wysokoenergetycznym zakresie poszukiwań ciemnej materii. Nie oznacza to jednak jej odkrycia. To interesujący odstający pomiar w obszarze, gdzie oczekiwane tło jest bardzo małe, ale pojedynczy przypadek o istotności 2,6σ wciąż może być fluktuacją statystyczną albo rzadkim, dotąd nieopisanym źródłem tła. 12

Co dokładnie zaobserwował LZ?

Analiza objęła 220 dni efektywnej pracy detektora, od marca 2023 r. do kwietnia 2024 r. Badacze rozszerzyli okno energii odrzutów jąder atomowych do około 270 keV, aby szukać niestandardowych scenariuszy WIMP-ów — hipotetycznych słabo oddziałujących masywnych cząstek, które są jednym z głównych kandydatów na ciemną materię. Niektóre modele, m.in. modele nieelastyczne lub opisywane teorią pola efektywnego, mogą częściej dawać odrzuty o wyższej energii. 12

W ekspozycji 2,84 tonoroku LZ znalazł jedno zdarzenie zgodne z odrzutem jądra ksenonu o energii około 248 keV. W tym fragmencie danych przewidywane konwencjonalne tło jest niskie. 24

Po uwzględnieniu tzw. efektu wielu prób — czyli tego, że testowano różne modele i zakresy poszukiwań — globalna istotność wynosi 2,6σ. W hipotezie samych znanych źródeł tła odpowiada to prawdopodobieństwu rzędu 0,5%. Największa lokalna nadwyżka spośród sprawdzanych modeli sięgała 3,4σ. 25

Dlaczego 2,6σ nie wystarcza?

W fizyce cząstek za próg odkrycia zwykle uznaje się 5σ. Jest to znacznie wyższy poziom pewności niż 2,6σ. Jeden przypadek nie pozwala sprawdzić, czy sygnał się powtarza, ani wiarygodnie oddzielić nowej fizyki od nieznanego tła detektorowego.

Właśnie dlatego wynik warto publikować i dokładnie analizować, ale nie wolno przedstawiać go jako wykrycia ciemnej materii. Historia eksperymentów rzadkich zdarzeń pokazuje, że anomalie często po dalszych testach okazują się tłem. 12

Dwie główne interpretacje

Jeśli zdarzenie rzeczywiście zostało wywołane przez zwykłe rozpraszanie WIMP-a, wskazywałoby na stosunkowo ciężką cząstkę — o masie co najmniej około 200 GeV/c² — oraz na mechanizm oddziaływania bardziej złożony niż najprostszy, niezależny od spinu model WIMP-a. Dla porównania: masa protonu to niecałe 1 GeV/c². 1

Równie realna pozostaje druga możliwość: rzadki typ zdarzenia tła, którego model nie uwzględnił. Zespół LZ analizował kilka takich scenariuszy i podkreśla, że jedno anomalne zdarzenie nie pozwala jeszcze odróżnić przeoczonego tła od sygnału nowej cząstki. 12

Co rozstrzygną kolejne dane?

LZ nadal zbiera dane i dąży do ekspozycji 1 000 dni efektywnej pracy. Współpraca ma już większy zbiór danych niż ten wykorzystany w opisywanej analizie. Jeśli obserwacja pochodzi od WIMP-ów, kolejne dane powinny przynieść następne zdarzenia o zgodnym rozkładzie energii i położenia w detektorze. Jeśli była to fluktuacja lub nieujęte tło, taki wzór nie powinien się utrzymać. 12

W perspektywie połowy lat 30. XXI wieku planowany jest następca obecnych instalacji: XLZD. Projekt ma dysponować celem ksenonowym mniej więcej dziesięć razy większym niż dzisiejsze detektory. Większa ekspozycja i lepsze odróżnianie tła mogłyby zdecydowanie sprawdzić hipotezę ciężkiego WIMP-a albo wykluczyć ją dla znacznie mniejszych przekrojów czynnych. XLZD ma służyć zarazem poszukiwaniom ciemnej materii i precyzyjnym pomiarom niskoenergetycznych neutrin słonecznych. 12

Osobny sukces XENONnT: neutrina ze Słońca

Wynik LZ należy odróżnić od niezależnego rezultatu eksperymentu XENONnT we włoskim laboratorium Gran Sasso. XENONnT ogłosił obserwację niskoenergetycznych neutrin słonecznych rozpraszających się sprężyście na elektronach z istotnością 5σ. Sygnał jest zdominowany przez neutrina pp, powstające w reakcjach proton–proton napędzających Słońce; próg energii neutrin sięgnął około 17 keV, najniżej w historii bezpośredniej detekcji neutrin. 9

W 2024 r. XENONnT podał też pierwszy pomiar odrzutów jąder wywołanych przez słoneczne neutrina boru-8 w procesie koherentnego elastycznego rozpraszania neutrina na jądrze, czyli CEνNS. Ten proces jest szczególnie ważny dla łowców WIMP-ów, ponieważ również generuje odrzuty jąder i może naśladować poszukiwany sygnał ciemnej materii. 3711

Detektory ciemnej materii stają się obserwatoriami rzadkich zjawisk

LZ i XENONnT pokazują, że ultraczyste ksenonowe komory projekcji czasowej nie są już narzędziami wyłącznie do polowania na WIMP-y. Umożliwiają również pomiary strumieni neutrin słonecznych przez odrzuty elektronów i jąder, badanie własności oddziaływań neutrin oraz doskonalenie kontroli nad tłem.

To przygotowanie do epoki tak zwanej „mgły neutrinowej”: poziomu czułości, na którym neutrina staną się nieuniknionym tłem dla eksperymentów poszukujących ciemnej materii. 179