LZ พบสัญญาณปริศนาเพียง 1 ครั้ง: น่าสนใจ แต่ยังไกลจากการค้นพบสสารมืด

LUX-ZEPLIN หรือ LZ ยังไม่ได้ค้นพบสสารมืด แต่พบเหตุการณ์ผิดปกติที่น่าจับตา 1 ครั้งในบริเวณพลังงานสูงของการค้นหา เหตุการณ์เดียวนี้มีลักษณะสอดคล้องกับการที่นิวเคลียสซีนอนสะท้อนกลับหลังถูกอนุภาคชน ทว่าเพียงลำพังยังอธิบายได้ทั้งด้วยความผันผวนทางสถิติ หรือพื้นหลังหายากชนิดที่แบบจำลองยังไม่ครอบคลุม 17

พบอะไรในข้อมูล 220 วัน

LZ ซึ่งติดตั้งอยู่ลึกใต้ดินเกือบ 1 ไมล์ในรัฐเซาท์ดาโคตา สหรัฐฯ ใช้ซีนอนเหลวราว 7 ตันเพื่อมองหาปฏิสัมพันธ์ที่เกิดขึ้นได้ยากยิ่ง ระหว่างเดือนมีนาคม 2023 ถึงเมษายน 2024 ทีมงานเก็บข้อมูลจริง 220 วัน แล้วขยายช่วงพลังงานของการวิเคราะห์นิวเคลียร์รีคอยล์ไปถึงราว 270 keV เพื่อค้นหาแบบจำลอง WIMP ที่ไม่ใช่กรณีมาตรฐานอย่างง่าย เช่น ปฏิสัมพันธ์ในกรอบทฤษฎีสนามเชิงผล หรือการกระเจิงแบบไม่ยืดหยุ่น ซึ่งอาจให้รีคอยล์พลังงานสูงได้ 17

ผลคือพบ 1 เหตุการณ์ ที่สอดคล้องกับนิวเคลียร์รีคอยล์พลังงานประมาณ 248 keV จากปริมาณการรับข้อมูล 2.84 ตัน-ปี ในตำแหน่งที่การคาดการณ์พื้นหลังแบบดั้งเดิมต่ำ

ทำไมจึงน่าสนใจ แต่ยังไม่ใช่การค้นพบ

เมื่อรวมผลของการลองตรวจหลายแบบจำลองหรือหลายช่วงพารามิเตอร์แล้ว สัญญาณนี้มีนัยสำคัญระดับโลก 2.6σ เทียบได้กับโอกาสราว 0.5% ที่จะเกิดจากสมมติฐานพื้นหลังที่รู้จัก ส่วนความเกินเฉพาะจุดที่มากที่สุดในแบบจำลองที่ทดสอบอยู่ที่ 3.4σ

ตัวเลขนี้เพียงพอให้ต้องรายงานและตรวจสอบอย่างละเอียด แต่ยังห่างจากเกณฑ์มาตรฐาน 5σ ที่วงการฟิสิกส์อนุภาคใช้สำหรับการประกาศค้นพบอย่างมาก เหตุผลสำคัญคือมีข้อมูลเพียงเหตุการณ์เดียว จึงยังพิสูจน์ความทำซ้ำไม่ได้ และยังแยกไม่ออกอย่างน่าเชื่อถือว่าเป็นฟิสิกส์ใหม่หรือเป็นพื้นหลังที่ไม่เคยระบุได้ 17

กล่าวให้ตรงที่สุด: นี่คือ “เบาะแสที่น่าสนใจ” ไม่ใช่หลักฐานยืนยันว่าสสารมืดถูกตรวจพบแล้ว

ถ้าเป็น WIMP จริง จะหมายถึงอะไร

การตีความหนึ่งคือ เหตุการณ์ดังกล่าวอาจเกิดจาก WIMP (อนุภาคขนาดใหญ่ที่มีปฏิสัมพันธ์อ่อน) ซึ่งเป็นผู้สมัครสสารมืดที่ถูกศึกษาอย่างกว้างขวาง หากตีความในลักษณะการกระเจิงทั่วไป LZ ระบุว่ามันน่าจะบ่งชี้ถึงอนุภาคที่ค่อนข้างหนัก มีมวลอย่างน้อยประมาณ 200 GeV/c² หรือมากกว่ามวลโปรตอนกว่า 200 เท่า และมีรูปแบบปฏิสัมพันธ์ซับซ้อนกว่ากรณี WIMP แบบไม่ขึ้นกับสปินที่เรียบง่ายที่สุด 17

แต่อีกคำอธิบายที่ยังเปิดอยู่คือ พื้นหลังหายาก บางรูปแบบอาจเล็ดรอดการสร้างแบบจำลองไปได้ ทีม LZ ตรวจสอบความเป็นไปได้หลายกรณี และย้ำว่าประวัติศาสตร์ของการค้นหาเหตุการณ์ผิดปกติในฟิสิกส์อนุภาคมักจบลงด้วยการพบคำอธิบายจากพื้นหลัง 17

คำตอบต้องมาจากข้อมูลเพิ่ม ไม่ใช่เหตุการณ์เดียว

LZ เดินหน้าเก็บข้อมูลไปสู่เป้าหมาย 1,000 วันของการเดินเครื่อง และมีชุดข้อมูลที่ใหญ่กว่าการวิเคราะห์ครั้งนี้อยู่แล้ว หากเหตุการณ์นี้เป็นร่องรอย WIMP จริง การวิเคราะห์ในอนาคตควรเห็นเหตุการณ์เพิ่มที่มีรูปแบบพลังงานและตำแหน่งในเครื่องตรวจจับสอดคล้องกัน แต่หากเป็นความบังเอิญทางสถิติหรือพื้นหลังที่ตกหล่น สัญญาณก็ควรไม่ปรากฏซ้ำในรูปแบบเดิม 17

ในระยะยาว โครงการสืบทอดที่เสนอชื่อ XLZD ซึ่งตั้งเป้าในช่วงกลางทศวรรษ 2030 และมีมวลเป้าหมายซีนอนราว 10 เท่าของเครื่องตรวจจับยุคปัจจุบัน จะเพิ่มทั้งปริมาณข้อมูลและความสามารถคัดแยกพื้นหลังอย่างมาก จึงอาจยืนยันหรือหักล้างคำอธิบายแบบ WIMP หนักได้เด็ดขาดยิ่งขึ้น รวมถึงผลักขีดจำกัดการปฏิสัมพันธ์ไปยังระดับที่เล็กลง 12

อย่าสับสนกับผล 5σ ของ XENONnT

ผลของ LZ เป็นคนละการวัดกับข่าวจาก XENONnT ที่ตั้งอยู่ห้องปฏิบัติการใต้ดินแกรนซัสโซในอิตาลี XENONnT รายงานการสังเกตนิวทริโนพลังงานต่ำจากดวงอาทิตย์ที่กระเจิงยืดหยุ่นกับ อิเล็กตรอน ด้วยนัยสำคัญ 5σ ซึ่งเป็นระดับการค้นพบตามธรรมเนียมของฟิสิกส์อนุภาค สัญญาณนี้มีนิวทริโนจากปฏิกิริยาลูกโซ่โปรตอน-โปรตอน หรือ pp neutrinos เป็นองค์ประกอบหลัก และตรวจได้ถึงพลังงานนิวทริโนราว 17 keV ซึ่งเป็นเกณฑ์พลังงานต่ำสุดที่รายงานสำหรับการตรวจจับนิวทริโนโดยตรง 69

ก่อนหน้านั้น XENONnT เคยรายงานการวัดหรือข้อบ่งชี้แรกของนิวทริโนโบรอน-8 จากดวงอาทิตย์ ผ่านกระบวนการ CEνNS หรือการกระเจิงยืดหยุ่นเชิงสอดคล้องของนิวทริโนกับนิวเคลียส กระบวนการนี้ให้สัญญาณนิวเคลียร์รีคอยล์ จึงคล้ายกับชนิดของสัญญาณที่เครื่องตรวจจับซีนอนใช้ตามหา WIMP อย่างมาก 311

ภาพรวมจึงไม่ได้มีแค่การล่าสสารมืด เครื่องตรวจจับซีนอนแบบห้องฉายเวลา (time-projection chamber) ที่มีพื้นหลังต่ำมากอย่าง LZ และ XENONnT กำลังกลายเป็นหอดูดาวสำหรับเหตุการณ์หายาก: ค้นหา WIMP วัดฟลักซ์นิวทริโนจากดวงอาทิตย์ผ่านทั้งรีคอยล์ของอิเล็กตรอนและนิวเคลียส ทดสอบฟิสิกส์ปฏิสัมพันธ์ของนิวทริโน และพัฒนาเทคนิคควบคุมพื้นหลังที่จำเป็นเมื่อการทดลองเข้าใกล้สิ่งที่เรียกว่า “หมอกนิวทริโน” 179