Một tín hiệu lạ từ LZ mở ra manh mối mới về vật chất tối

LZ thực sự đã ghi nhận điều gì?

Thí nghiệm LUX-ZEPLIN, thường gọi là LZ, đã phát hiện một sự kiện bất thường trong 220 ngày dữ liệu được thu thập từ tháng 3/2023 đến tháng 4/2024 3. Tín hiệu này giống như một hạt va vào hạt nhân xenon, tạo ra cú giật lùi hạt nhân với năng lượng tái dựng khoảng 248 keV. Phân tích được mở rộng tới gần 270 keV 1.

Đây là vùng năng lượng cao hơn so với các cuộc tìm kiếm WIMP thông thường của LZ. Việc mở rộng vùng này cho phép nhóm nghiên cứu kiểm tra những kịch bản ít đơn giản hơn, chẳng hạn các mô hình dựa trên lý thuyết trường hiệu dụng hoặc vật chất tối không đàn hồi 1.

Về nguyên tắc, một hạt vật chất tối va chạm với hạt nhân xenon có thể tạo ra loại tín hiệu tương tự. Điều khiến sự kiện thu hút sự chú ý là các nhà nghiên cứu chưa tìm được lời giải thích thuyết phục nào từ những nền thông thường của máy dò 138.

Tuy nhiên, cần phân biệt kết quả này với phép tìm kiếm WIMP trước đó của LZ. Trong phân tích thông thường, dữ liệu không cho thấy sự dư thừa đáng kể so với nền dự kiến; thay vào đó, nhóm nghiên cứu đặt ra các giới hạn đối với khả năng tương tác của WIMP 4. Kết quả mới sử dụng một chiến lược tìm kiếm khác, tập trung vào các sự kiện giật lùi có năng lượng cao.

Vì sao một sự kiện vẫn chưa đủ để gọi là phát hiện?

Vấn đề cốt lõi nằm ở thống kê. Sự kiện của LZ có mức ý nghĩa toàn cục khoảng 2,6 sigma—đủ thú vị để tiếp tục điều tra, nhưng vẫn có thể là một dao động ngẫu nhiên hoặc một nguồn nền chưa được nhận diện 9. Trong vật lý hạt, ngưỡng thường được dùng để tuyên bố phát hiện là khoảng 5 sigma.

Một sự kiện đơn lẻ cũng không cho phép các nhà nghiên cứu dễ dàng phân biệt giữa những cách giải thích cạnh tranh. Để củng cố giả thuyết vật chất tối, thí nghiệm cần ghi nhận thêm các sự kiện có năng lượng, thời điểm và vị trí phù hợp với kiểu tín hiệu được dự đoán. Lịch sử vật lý hạt từng chứng kiến những “tín hiệu hứa hẹn” biến mất sau khi có thêm dữ liệu hoặc khi mô hình nền được cải thiện.

Vì vậy, cách mô tả chính xác nhất hiện nay là: một ứng viên vật chất tối tiềm năng, chưa phải phát hiện vật chất tối.

Nếu được xác nhận, tín hiệu sẽ nói gì về WIMP?

Nếu những dữ liệu sau này chứng minh sự kiện bắt nguồn từ vật chất tối, nó sẽ nghiêng về một WIMP nặng—có thể có khối lượng ít nhất khoảng 200 GeV/c², tức lớn hơn 200 lần khối lượng proton—theo các mô hình đang được thảo luận 89.

Tín hiệu cũng sẽ gợi ý rằng WIMP không tương tác với hạt nhân theo cách đơn giản nhất vốn thường được giả định trong các cuộc tìm kiếm truyền thống 19. Đây sẽ là một kết quả mang tính bước ngoặt: lần đầu tiên cung cấp bằng chứng trực tiếp rằng ít nhất một phần vật chất tối trong Ngân Hà gồm các hạt nặng, tương tác yếu, đồng thời cho thấy cơ chế tương tác của chúng phức tạp hơn dự kiến.

Các nhà nghiên cứu sẽ kiểm tra bất thường này ra sao?

Bài kiểm tra quan trọng nhất là sự lặp lại. LZ vẫn còn dữ liệu bổ sung và đang tiếp tục chương trình tìm kiếm. Nếu sự kiện là dấu hiệu của một quần thể vật chất tối thực sự, những quan sát tiếp theo sẽ tạo ra một lượng tín hiệu dư thừa có đặc điểm tương thích, thay vì để lại một điểm lệch đơn độc 8. Khi số sự kiện tăng lên, mức ý nghĩa thống kê cũng có thể được cải thiện.

Nhóm nghiên cứu đồng thời sẽ rà soát điều kiện vận hành của máy dò, quy trình tái dựng sự kiện và các quá trình nền có thể xảy ra. Nếu tìm được một nguyên nhân thông thường, cách diễn giải theo hướng vật chất tối sẽ suy yếu. Ngược lại, một mô hình lặp lại với các đặc điểm giật lùi được dự đoán sẽ củng cố giả thuyết này.

Các đài quan sát xenon lỏng lớn hơn trong tương lai có thể cung cấp độ phơi nhiễm dữ liệu cao hơn. Trong đó, XLZD được mô tả là một khái niệm có quy mô lớn hơn LZ khoảng 10 lần. Tuy nhiên, các thông tin hiện có chưa xác lập thiết kế chi tiết hoặc lịch trình xác nhận cụ thể cho dự án này. Do đó, còn quá sớm để dự đoán chính xác tốc độ mà XLZD có thể xác nhận hoặc loại trừ tương tác nói trên.

Kết quả của LZ khác gì với quan sát neutrino của XENONnT?

Tín hiệu ứng viên của LZ không nên bị nhầm với một kết quả riêng biệt từ thí nghiệm XENONnT. XENONnT đã báo cáo quan sát neutrino Mặt Trời năng lượng thấp thông qua tán xạ neutrino–electron với mức ý nghĩa 5 sigma. Phân tích đạt ngưỡng năng lượng neutrino khoảng 17 keV, trong đó tín hiệu chủ yếu đến từ neutrino thuộc chuỗi proton–proton tạo năng lượng cho Mặt Trời .

Sự khác biệt có ý nghĩa rõ ràng:

• LZ: một sự kiện năng lượng cao giống giật lùi hạt nhân nhưng chưa giải thích được, với mức ý nghĩa thấp hơn ngưỡng phát hiện.
• XENONnT: quan sát ở mức phát hiện đối với các hạt đã được biết đến trong Mô hình Chuẩn, được tạo ra từ các phản ứng hạt nhân trong Mặt Trời.

Hai kết quả cho thấy giá trị rộng hơn của các máy dò xenon lỏng có mức nền cực thấp. Công nghệ này không chỉ tìm kiếm các cú giật lùi hạt nhân hiếm hoi có thể do vật chất tối gây ra, mà còn nghiên cứu neutrino Mặt Trời và giúp các nhà vật lý hiểu rõ hơn những nguồn nền mà các thí nghiệm vật chất tối tương lai phải đo đạc, mô hình hóa 1.

Kết luận

Trong 220 ngày dữ liệu tìm kiếm ở vùng năng lượng cao, LZ đã ghi nhận một bất thường đáng chú ý: một sự kiện giống va chạm hạt nhân xenon ở mức khoảng 248 keV. Sự kiện này có thể phù hợp với một WIMP nặng và một kiểu tương tác phi chuẩn, nhưng mức ý nghĩa 2,6 sigma vẫn chưa đủ để tuyên bố phát hiện.

Cần thêm dữ liệu từ LZ, các kiểm tra nền độc lập và sự xác nhận lặp lại từ những đài quan sát lớn hơn trước khi sự kiện này có thể được gọi là bằng chứng của vật chất tối.