Cercetătorii au identificat un semnal neobișnuit într-un experiment subteran conceput pentru a detecta materia întunecată, substanța invizibilă despre care se crede că reprezintă aproximativ 85% din masa Universului, dar care nu a fost observată niciodată în mod direct. Evenimentul nu poate fi explicat cu ușurință prin particulele cunoscute și reprezintă cea mai promițătoare indicație de până acum obținută de experimentul LUX-ZEPLIN (LZ), însă cercetătorii subliniază că nu pot spune deocamdată că au detectat materia întunecată. Rezultatul nu atinge pragul statistic necesar pentru o descoperire științifică, potrivit Stanford Report.
De aproape un secol, oamenii încearcă să înțeleagă materia întunecată. Această substanță invizibilă reprezintă aproximativ 85% din masa Universului, dar nu a fost niciodată detectată în mod direct. Stabilirea naturii sale exacte rămâne una dintre cele mai importante întrebări despre lumea în care trăim.
Acum, o nouă analiză realizată în cadrul experimentului LUX-ZEPLIN (LZ) a înregistrat o singură interacțiune între particule pe care cercetătorii întâmpină mari dificultăți în a o explica prin semnalele de fond cunoscute provenite de la materia obișnuită. Rezultatul nu atinge încă pragul statistic necesar pentru a putea vorbi despre o descoperire, dar reprezintă cel mai convingător indiciu privind materia întunecată raportat până acum de experiment.
LZ este o colaborare internațională formată din 250 de oameni de știință și ingineri din 39 de instituții. Detectorul este administrat de Laboratorul Național Lawrence Berkeley al Departamentului pentru Energie al SUA (Berkeley Lab) și funcționează la aproape 1,6 kilometri sub pământ, în cadrul Sanford Underground Research Facility (SURF), în Dakota de Sud. Experimentul folosește 10 tone de xenon lichid ultrapur pentru a căuta materia întunecată și este conceput în special pentru a detecta WIMP-uri, adică particule masive care interacționează slab cu materia.
Cercetătorii de la Laboratorul Național de Accelerare SLAC al Departamentului pentru Energie al SUA au contribuit la dezvoltarea LZ încă de la momentul în care experimentul a fost propus.
„Este emoționant să privim în urmă la ultimii 12 ani, de când Tom Shutt și cu mine am înființat grupul LZ la SLAC”, a declarat Dan Akerib, profesor de fizica particulelor și astrofizică la SLAC și Universitatea Stanford. „Fără sprijinul laboratorului și talentul tehnic de aici, ne-ar fi fost imposibil să construim o echipă atât de eficientă, care a avut un impact uriaș asupra experimentului.”
Pe lângă dezvoltarea sistemelor care purifică xenonul lichid până la nivelurile extraordinare de puritate necesare pentru căutarea materiei întunecate realizată de LZ și a unor electrozi personalizați de ultimă generație, care colectează și amplifică semnalele din xenonul lichid, cercetătorii SLAC au contribuit la asamblarea detectorului și la componentele hardware pentru integrarea acestuia, la modelarea semnalelor de fond, analiza datelor și sistemele informatice pentru prelucrarea offline a datelor, care au pus bazele experimentului.
„Acest experiment se bazează pe existența unui detector cu niveluri extrem de scăzute de radioactivitate reziduală, dar și pe capacitatea de a face diferența între semnalele de fond provocate de radioactivitatea reziduală și semnalele provenite de la materia întunecată”, a declarat Tom Shutt, profesor de fizica particulelor și astrofizică la SLAC și Universitatea Stanford. „Faptul că am reușit să atingem acest nivel este o adevărată dovadă a muncii întregii colaborări.”
Semnificația rezultatelor
Rezultatele au fost prezentate în cadrul unei sesiuni științifice la conferința 2026 TeV Particle Astrophysics, organizată în Japonia. Lucrarea va fi publicată pe platforma online arXiv și va fi trimisă spre publicare revistei Physical Review Letters.
„Suntem foarte intrigați de faptul că am găsit acest eveniment în date, în regiunea în care ne așteptăm să apară materia întunecată și în care semnalele de fond concurente sunt foarte reduse”, a declarat Rick Gaitskell, profesor la Universitatea Brown și purtător de cuvânt al colaborării LZ. „Având un singur eveniment, nu vrem să tragem concluzii pripite. Nu susținem că am observat materia întunecată. Dar am observat ceva interesant, pe care vrem să îl împărtășim comunității științifice pentru a afla și părerea acesteia.”
Colaborarea LZ analizează datele experimentale în loturi. Pentru noul rezultat, cercetătorii au analizat date colectate în 220 de zile efective de funcționare, în perioada martie 2023 – aprilie 2024. Colaborarea căutase anterior în acest set de date semnale foarte slabe produse de cele mai simple tipuri de interacțiuni ale WIMP-urilor. Noua analiză a căutat o gamă mai largă de posibile interacțiuni ale WIMP-urilor, care ar putea depune mai multă energie în detector. LZ este deosebit de sensibil la astfel de semnale, reducând în același timp la minimum rezultatele fals pozitive.
„A fost un studiu detaliat într-o regiune pe care nu o analizasem în cadrul acestui set de date și am petrecut luni întregi depunând eforturi suplimentare pentru a înțelege toate cauzele posibile ale evenimentelor de fond”, a declarat Sam Eriksen, cercetător principal asociat la Universitatea din Bristol, Marea Britanie, și autorul principal al studiului. „Înțelegem atât de bine detectorul și semnalele de fond, încât chiar și un singur eveniment ieșit din comun, precum cel pe care l-am găsit, este important. Ne așteptăm ca evenimentele produse de materia întunecată să fie extrem de rare, astfel încât doar câteva astfel de evenimente ar putea marca prima detectare a materiei întunecate sub forma WIMP-urilor.”
Dacă evenimentul anormal a fost provocat de materia întunecată, WIMP-ul care l-a generat ar avea probabil o masă de cel puțin 200 de ori mai mare decât masa unui proton. De asemenea, acest lucru ar indica un anumit tip de interacțiune între WIMP-uri și materia obișnuită, dincolo de cel mai simplu model. Rezultatele LZ nu au atins semnificația de „5 sigma”, pragul statistic considerat necesar pentru o descoperire în fizică. Noua analiză are o semnificație de 2,6 sigma, ceea ce înseamnă că există o probabilitate de aproximativ 0,5% ca evenimentul să poată fi explicat prin semnalele de fond cunoscute.
Cu ajutorul unor date suplimentare, cercetătorii vor putea testa dacă importanța statistică a acestei observații continuă să crească sau dacă aceasta dispare. LZ a acumulat deja cel mai mare set de date din lume privind materia întunecată și va continua să colecteze date pentru căutarea WIMP-urilor la SURF, îmbunătățind considerabil statisticile căutării.
