En gammastråle vid 43 GeV kan peka mot mörk materia – men det är ännu inget fynd

En forskargrupp med koppling till Kinesiska vetenskapsakademin rapporterar ett smalt överskott av gammastrålning vid ungefär 43,2 gigaelektronvolt (GeV). Resultatet bygger på en analys av 15,5 års offentligt tillgängliga data från Fermi Large Area Telescope, eller Fermi-LAT, i riktning mot 13 närliggande massiva galaxhopar. Den starkaste delen av signalen kom från Virgo, Fornax och Ophiuchus. 18

Resultatet är intressant eftersom en smal gammastråle är en av de tydligaste indirekta signaler som vissa modeller för mörk materia förutsäger. Men det handlar fortfarande om en möjlig kandidatsignal – inte om en etablerad upptäckt av mörk materia.

Vad forskarna rapporterade

Forskarna använde en så kallad staplingsanalys. Det innebär att observationer från flera galaxhopar kombineras för att öka känsligheten. Den linjeliknande signalen är koncentrerad nära 43,2 GeV och syns även när de övriga galaxhoparna tas med, även om Virgo, Fornax och Ophiuchus bidrar mest. De tre hoparna förväntas också ge den starkaste mörk-materia-signalen enligt analysens modell. 18

För delmängden med Virgo, Fornax och Ophiuchus anges ett teststatistikvärde på omkring 30. Det beskriver hur stark signalen är inom just denna analys. Det ska däremot inte automatiskt tolkas som en slutgiltig upptäcktsnivå efter alla statistiska korrigeringar för att många möjliga signaler och analysval har prövats. 18

Varför en skarp linje skulle kunna tala för WIMP-annihilation

WIMP är en förkortning för weakly interacting massive particles, alltså hypotetiska massiva partiklar som bara växelverkar mycket svagt. De är en av kandidaterna till vad mörk materia kan bestå av – den osynliga materia som enligt kosmologiska uppskattningar står för omkring 85 procent av universums totala materieinnehåll.

I en särskilt karakteristisk annihilationskanal kan två WIMP-partiklar omvandlas till två fotoner. Om partiklarna rör sig långsamt jämfört med ljusets hastighet får fotonerna nästan samma energi. I ett gammastrålespektrum skulle det kunna se ut som en smal linje.

Det skiljer sig från de breda energispektra som ofta skapas av kosmiska strålar och många vanliga astrofysiska acceleratorer. Om samma linje dessutom återfanns vid rätt energi, i rätt galaxhopar och med en rumslig fördelning som passar mörk materia, skulle det vara ett ovanligt övertygande indirekt bevis.

Energin 43,2 GeV skulle dock inte i sig bevisa massan hos den mörka materiens partikel. Sambandet beror på vilken annihilationskanal och vilken teoretisk modell man antar. Signalen är därför ett möjligt tecken på en viss process – inte en fristående massmätning av en WIMP.

Det är i den meningen forskare ibland använder uttrycket ”rökande pistol” om en bekräftad gammastrålelinje. Uttrycket syftar på signalens särskiljande form, inte på att det aktuella resultatet redan är avgörande.

Hur instrumentfel undersöktes

Analysen använde Fermi-LAT:s Pass 8-data. Forskarna granskade också kontrollurval och instrumentrelaterade variabler för att leta efter en liknande signal där någon galaxhop inte borde bidra med mörk materia. Enligt författarnas tolkning gav dessa kontroller inget tydligt stöd för att en 43 GeV-linje hade skapats av detektorn. 23

Det är en viktig kontroll, men den utesluter inte alla systematiska fel. Kalibrering, rekonstruktionen av partiklarnas energi, exponeringen, urvalet av händelser samt modellerna för diffus bakgrund och punktkällor kan alla påverka en sökning efter smala linjer.

En signal som överlever en viss analys kan därför försvinna när samma data bearbetas på ett annat sätt eller testas med en annan bakgrundsmodell.

De viktigaste begränsningarna

Det finns flera skäl att vara försiktig:

• Signalen är inte helt ny. Tidigare Fermi-analyser rapporterade en preliminär signal nära 43 GeV i närliggande galaxhopar. En senare analys av 11,4 års Fermi-LAT-data fann däremot ingen statistiskt signifikant linje. Signalen försvagades kraftigt när en viss typ av händelser uteslöts. 19 22
• Resultatet bygger på ett instrument och ett utvalt målurval. Stapling kan förbättra känsligheten, men gör också resultatet beroende av vilka galaxhopar som valts, hur deras mörka materia modelleras och hur bakgrunden i varje riktning hanteras.
• Förutsägelsen om mörk materia är modellberoende. Den väntade signalen påverkas av galaxhoparnas densitetsprofiler, eventuell understruktur, annihilationskanalen och växelverkningsstyrkan.
• En linjeliknande fluktuation är fortfarande möjlig. Statistiska variationer, astrofysisk strålning eller en okänd systematik i analysen kan efterlikna en smal signal.

Den mest rättvisa beskrivningen är därför att detta är en kandidatsignal i gammastrålning som är förenlig med en tolkning i termer av mörk materia – inte ett bevis på att WIMP-partiklar har identifierats.

Inte samma sak som den rapporterade 20 GeV-signalen i Vintergatan

Galaxhoppsresultatet ska också skiljas från en separat analys av ungefär 15 års Fermi-LAT-observationer, ledd av Tomonori Totani vid Tokyos universitet. Den studien rapporterade ett brett, haloliknande överskott som toppar nära 20 GeV runt Vintergatans centrum. Enligt analysen kan signalens spektrum och form vara förenliga med annihilation av mörk materia. 1

De två påståendena gäller olika typer av observationer:

• Galaxhoppsanalysen gäller en smal linje nära 43,2 GeV från riktningar mot extragalaktiska galaxhopar.
• Totanis analys gäller ett brett överskott i den galaktiska halon nära 20 GeV.

Det ena bekräftar inte direkt det andra. En och samma WIMP-modell skulle behöva förklara båda energierna, de rumsliga mönstren och eventuella andra signaler på ett konsekvent sätt.

En separat analys har dessutom hävdat att en mörk-materia-tolkning av 20 GeV-överskottet kan innebära ett antiprotonflöde som överstiger observationerna från AMS-02. Det illustrerar varför möjliga gammastrålesignaler måste testas mot flera olika typer av mätningar. 2

På samma sätt är en analys som inte kan utesluta mörk materia som källa till ett centralt gammastråleljus inte en positiv identifiering. Om mörk materia inte kan skiljas från exempelvis oupptäckta pulsarer eller fel i modellerna för diffus strålning är bevisläget betydligt svagare än vid en unik mörk-materia-signal.

Vad kan bekräfta eller kullkasta 43 GeV-signalen?

De viktigaste framtida testerna är sådana som gör det svårt för ett mätfel eller en överanpassad bakgrundsmodell att återskapa signalen.

Mer Fermi-data och oberoende analysval

Ytterligare observationstid kan visa om överskottet växer på det sätt man förväntar sig när fler data samlas in. Forskarna kan också undersöka om linjen ligger kvar vid olika händelseklasser, infallsvinklar, tidsperioder och metoder för energirekonstruktion – samt i oberoende urval av galaxhopar och kontrollområden.

En verklig kosmisk linje bör ligga kvar vid samma energi. Den bör inte heller vara starkt beroende av en viss detektorkonfiguration eller ett snävt val av data.

Oberoende gammastråleinstrument

En bekräftelse från ett annat instrument med tillräcklig energiupplösning skulle väga tungt. Rymdbaserade observatorier som DAMPE, tillsammans med framtida eller kompletterande markbaserade gammastråleinstrument där energiområdet är lämpligt, kan söka efter samma signal från samma galaxhopar.

Den starkaste bekräftelsen skulle kombinera tre saker: samma energi, samma galaxhopar och en vinkel- eller rumsfördelning som passar den förutsagda mörk-materia-profilen. En utebliven signal i ett instrument med tillräcklig känslighet skulle i stället försvaga tolkningen eller begränsa den föreslagna annihilationshastigheten.

Kompletterande partikelfysik och astronomi

Galaxhoppssignalen behöver också jämföras med observationer av dvärggalaxer, andra annihilationskanaler, kosmiska strålar samt kosmologiska och partikelfysikaliska begränsningar. En teori om mörk materia bör inte förklara ett överskott samtidigt som den förutsäger en ofrånkomlig motsägelse någon annanstans.

En annan väg: våglik mörk materia och kvantbitar

Förslag från forskare med koppling till Tokyos universitet riktar sig mot en helt annan del av parameterområdet. I stället för att leta efter WIMP-annihilation vid GeV-energies undersöker de ultralätta, våglika kandidater som axioner och så kallade dolda fotoner.

Ett fält av dolda fotoner skulle kunna skapa ett extremt svagt, oscillerande elektriskt fält. Om frekvensen stämmer med en supraledande transmonkvantbits resonans kan fältet driva kvantbiten från grundtillståndet till ett exciterat tillstånd. I ett axionexperiment kan ett yttre magnetfält omvandla axionfältet till en oscillerande elektrisk signal som på liknande sätt kan excitera kvantbiten. 33 36

Ett högkvalitativt mikrovågshålrum kan förstärka växelverkan genom att lagra det elektromagnetiska fältet. Förtrasslade kvantbitar och faskänsliga mätningar kan sedan samla signalen koherent eller öka hastigheten med vilken olika frekvenser genomsöks. Föreslagna kvantinterferensmetoder ger en signalhastighet som i vissa upplägg växer mer gynnsamt med antalet kvantbitar än om man bara lägger till oberoende sensorer. 34 37

Den stora utmaningen är dekoherens. Termiska fotoner, förluster i hålrummet, styrfel, bristfällig förberedelse av förtrasslade tillstånd och brus vid avläsningen kan förstöra den fasinformation som ger kvantmetoden dess möjliga fördel.

Ett praktiskt experiment skulle därför behöva mycket kalla och väl avskärmade hålrum, långlivade kvantbitar, noggrant kalibrerade elektromagnetiska miljöer, upprepade koherenta mätningar och robusta metoder för felhantering.

Kvantbits- och hålrumssystemen är lovande förslag på detektorteknik – inte bevis för att våglik mörk materia redan har observerats. De visar också varför jakten på mörk materia använder kompletterande metoder: en gammastrålelinje, en excitation av en kvantbit och en signal i kosmiska strålar skulle undersöka olika kandidater och olika fysikaliska mekanismer.

Slutsatsen

Den Kina-ledda Fermi-analysen rapporterar en intressant, linjeliknande signal vid 43,2 GeV från närliggande galaxhopar, särskilt Virgo, Fornax och Ophiuchus. Den smala formen är teoretiskt spännande eftersom direkt WIMP-annihilation till fotoner kan ge en liknande skarp signatur. 18

Men historiken med preliminära gammastrålelinjer – tillsammans med att en tidigare analys inte bekräftade en närliggande 43 GeV-signal – gör att resultatet bör behandlas som en hypotes som väntar på oberoende upprepning.

Mer Fermi-data, oberoende instrument, alternativa bakgrundsmodeller och kompletterande sökningar får avgöra om signalen är en sällsynt glimt av mörk materia eller ännu ett övertygande men svårtolkat mönster i gammastråledata.