Detektor hluboko pod zemí zachytil srážku, kterou fyzici zatím neumí vysvětlit

Temná hmota tvoří podle odhadů zhruba čtvrtinu celkového energetického obsahu vesmíru, přesto o ní věda dodnes neví, z čeho se skládá. Jedním z hlavních kandidátů zůstávají takzvané WIMPy, tedy slabě interagující masivní částice, a právě po nich pátrá experiment LUX-ZEPLIN, zkráceně LZ, umístěný v podzemní laboratoři ve Spojených státech. Podle tiskové zprávy Kalifornské univerzity v Los Angeles zaznamenala nová analýza dat z tohoto experimentu jedinou interakci částice, kterou vědci jen obtížně vysvětlují známými pozadím vznikajícím z běžné hmoty, přičemž výsledek zatím nedosahuje statistické hranice potřebné k prohlášení objevu, jde ale o nejpřesvědčivější náznak temné hmoty, jaký experiment dosud zaznamenal.

Podrobnosti výzkumu vědci prezentovali na letošní konferenci TeV Particle Astrophysics v Japonsku a práci zároveň zveřejnili na serveru arXiv a zaslali k publikaci do časopisu Physical Review Letters. Podle popisu na serveru Technology.org tým analyzoval 220 dní dat sesbíraných mezi březnem 2023 a dubnem 2024, přičemž tento soubor dat už dřív prohledávali kvůli slabým signálům odpovídajícím nejjednodušším typům interakce WIMPů, v nové analýze ale rozšířili hledání i na další možné typy interakcí schopné v detektoru uvolnit víc energie.

Vedoucí autor studie Sam Eriksen z Bristolské univerzity popsal proces ověřování jako mimořádně náročný. Podle stejného zdroje šlo o detailní studii oblasti dat, kterou tým v tomto konkrétním souboru dosud neprozkoumal, a vědci strávili měsíce dodatečné práce ověřováním všech možných příčin pozadí, přičemž detektor i jeho pozadí znají natolik dobře, že i jediná odlehlá událost je hodná pozornosti.

Spoluautorka Alvine Kamahaová z Kalifornské univerzity v Los Angeles, která koordinovala kalibraci detektoru, k výsledku podle tiskové zprávy dodala, že jde o mimořádně vzrušující výsledek, který by mohl představovat první náznak signálu temné hmoty, byť to zatím s jistotou tvrdit nelze, a že ji obzvlášť těší, jak přístroj, na jehož stavbě se sama podílela, pomáhá posouvat hranice poznání.

Pokud by se signál v budoucnu skutečně potvrdil jako skutečná interakce s částicí WIMP, podle rozboru serveru SciTechDaily by odpovídající částice měla hmotnost nejméně dvě stě gigaelektronvoltů, tedy víc než dvě stě krát vyšší hmotnost než proton, což by zároveň naznačovalo konkrétní typ interakce mezi WIMPy a běžnou hmotou. Takové zjištění by pro fyziku částic bylo zásadní, protože by poprvé přineslo přímý experimentální otisk částice, o jejíž existenci se dosud usuzovalo jen nepřímo, z pozorování pohybu galaxií a rozložení hmoty ve vesmíru.

Samotný detektor LZ funguje na principu sledování drobných záblesků světla, které by vznikly, kdyby částice temné hmoty narazila do atomu xenonu uvnitř nádrže. Umístění hluboko pod zemí přitom není náhodné, silná vrstva horniny nad detektorem odstiňuje kosmické záření a další rušivé signály, které by jinak pravou interakci s temnou hmotou snadno zamaskovaly.

Podobné náznaky se přitom v posledních týdnech objevily i jinde. Podle shrnutí serveru ScienceDaily vyvinul samostatný tým z Kjótské univerzity zcela odlišný přístup využívající zemské magnetické pole a atmosféru jako obří detektor, kterým výrazně zpřísnil limity pro ultralehké axiony a zároveň objevil několik zajímavých kandidátních signálů odpovídajících takzvaným temným fotonům, jejichž původ zatím zůstává neznámý. Ani jeden z těchto výsledků sám o sobě nedokazuje existenci temné hmoty, společně ale ukazují, že se fyzikální komunita po desítkách let neúspěšného hledání blíží k bodu, kdy jí i drobné odchylky od očekávání stojí za měsíce pečlivého ověřování.

Definitivní odpověď na otázku, jestli šlo skutečně o první přímý otisk temné hmoty, nebo jen o statistickou anomálii, přinesou až další roky sběru dat. Experiment LZ v tom ale rozhodně nekončí, a právě proto vědci nyní netvrdí, že objevili temnou hmotu, ale že mají v rukou nejzajímavější stopu, jakou kdy jejich přístroj zachytil.