Fyzici zisťujú nevysvetliteľné interakcie častíc pri hľadaní temnej hmoty

Fotodetektory XENON1T. (Xenónová spolupráca)

Hlboko pod horami Gran Sasso v Taliansku, najcitlivejšie na svete temná hmota experiment odhalil prekvapivé zistenie. Nie, nie je to temná hmota. Namiesto toho experiment detegoval podstatne viac udalostí interakcie častíc, ako predpovedali štandardný model časticovej fyziky.

Namiesto 232 ± 15 nízkoenergetických udalostí očakávaných v objeme údajov za rok, od februára 2017 do februára 2018, experiment XENON1T Dark Matter zistil 285 - o neuveriteľných 53 viac, ako sa predpokladalo, a ďaleko za hranicou chýb.

Je vzrušujúce, že veľký medzinárodný tím fyzikov zapojených do spolupráce nevie, čo spôsobuje tento prebytok, aj keď na výsledkoch pracuje už od roku 2018.



Po dôkladnom zvážení zredukovali svoje možnosti na tri možnosti: jednu celkom svetskú... a dve ďalšie, ktoré by mali obrovský vplyv na naše chápanie základnej fyziky.

Výskumníci prezentovali svoje zistenia na online seminári 17. júna a majú pripravil papier ktorá je momentálne v predtlači peer review .

'Pozorujeme prebytok, ktorý je väčší ako tri sigma, a nevieme, čo to je,' povedal fyzik Evan Shockley z University of Chicago.

XENON1T je nádrž naplnená 3,2 metrickými tonami ultračistého tekutého xenónu a vybavená sústavami fotonásobičov. Je úplne utesnená a úplne tmavá, aby bolo možné detekovať scintiláciu a elektroluminiscenciu vznikajúcu pri vzájomnej interakcii dvoch častíc, vytvárajúcich drobné záblesky svetla a malú spŕšku elektrónov vyvrhnutých z atómu xenónu – čo je známe ako spätný ráz elektrónov.

Keďže väčšina týchto interakcií sa vyskytuje zo známych častíc, odhadnúť počet udalostí na pozadí, ktoré by sa mali vyskytnúť, je pomerne jednoduchá záležitosť. Takto bolo odvodené číslo 232 pre udalosti spätného rázu elektrónov s nízkou energiou.

Takže, „odkiaľ ďalších 53 podujatí“ je veľkou otázkou.

Prvý a najbežnejší z troch scenárov, ktoré by mohli spôsobiť ďalšie interakcie častíc, je predtým neuvažovaným zdrojom udalostí na pozadí spôsobených veľmi malým množstvom vzácneho rádioaktívneho izotopu vodíka nazývaného trícium.

Vedci poznamenali, že trícium mohlo byť zavedené do detektora prostredníctvom kozmogénnej aktivácie xenónu a vodíka v samotných materiáloch detektora. Stačilo by len nepatrné množstvo trícia – len niekoľko atómov na každých 1025atómy xenónu, príliš malé na to, aby sa dali zistiť. Pokusy zistiť trícium inými prostriedkami boli neúspešné, takže hypotézu trícia nebolo možné potvrdiť ani vylúčiť.

Druhá, zaujímavejšia možnosť je, že signál môže byť spôsobený neutrína . Tieto častice sú podobné elektrónom, ale nemajú takmer žiadnu hmotnosť a žiadny náboj a veľmi zriedkavo interagujú s inými časticami. To je rovnako dobré, pretože neutrína sú najrozšírenejšou časticou vo vesmíre.

Podľa výpočtov tímu by za nadbytočný signál mohli neutrína, ak by mali silnejší magnetický moment - teda magnetickú silu a orientáciu - než sme si mysleli. Ak sú tieto neutrína so silnejším magnetickým momentom zodpovedné za signál, pravdepodobne by sme potrebovali novú fyziku, ktorá by vysvetlila, ako môžu existovať.

Veľkým problémom tohto scenára je, že tieto neutrína sa vyrábajú v jadrách hviezd ( medzi inými miestami ), a boli by produkované vo väčšom počte vo veľmi horúcich hviezdach, ako sú bieli trpaslíci, z ktorých by získavali energiu, čím by sa znižovalo teplo hviezdy. Takéto tepelné straty sme ešte nepozorovali v súlade s odberom energie neutrín so silnými magnetickými momentmi. To vytvára to, čo výskumníci nazývajú „silné napätie“ s ich vlastnými výsledkami.

Tretím scenárom je typ hypotetickej častice nazývanej slnečný axion. Toto najlepšie zodpovedá údajom s úrovňou spoľahlivosti 3,5 sigma – to znamená pravdepodobnosť 2 ku 10 000, že signál je náhodná fluktuácia. (Ďalšie dva scenáre majú úroveň spoľahlivosti 3,2 sigma.)

Toto by v skutočnosti bolo obrovský , keďže do dnešného dňa sme nezistili axióny žiadneho druhu. Axióny sú typom častíc, o ktorých sa predpokladalo v 70. rokoch 20. storočia s cieľom vyriešiť otázku, prečo silné atómové sily nasledujú po niečom tzv. symetria náboj-parita , keď väčšina modeliek hovorí, že to netreba.

Axióny špecifickej hmotnosti sú asilný kandidát na tmavú hmotu. Slnečné axióny, hypoteticky prúdiace zo Slnka, nie sú rovnaké ako axióny kandidátov na temnú hmotu, ale boli by silným náznakom ich existencie – ak existujú slnečné axióny, mali by existovať aj iné axióny.

Problém s týmto scenárom je veľmi podobný problému s neutrínami. Ak Slnko môže produkovať axiony, tak by to mali byť aj všetky hviezdy; a opäť pozorované straty tepla na miestach s veľmi horúcimi hviezdami prísne limity interakcií axiónov so subatomárnymi časticami .

Takže nám zostala kopa kyslej uhorky, ktorá bude riešiteľná len – uhádli ste – ďalšími experimentmi. Keďže XENON1T prechádza do svojej ďalšej fázy, XENONnT, musíme si zatiaľ držať klobúky.

'Tu diskutované signály možno ďalej skúmať v detektoroch novej generácie,' napísali vedci vo svojom článku .

'XENONnT s cieľovou hmotnosťou 5,9 tony a faktorom ∼6 zníženia pozadia ER nám umožní študovať prebytok oveľa podrobnejšie, ak bude pretrvávať. Predbežné štúdie založené na najlepších výsledkoch tejto práce naznačujú, že signál slnečného axiónu by sa mohol odlíšiť od pozadia trícia na úrovni 5 σ už po niekoľkých mesiacoch údajov z XENONnT.

Predtlačový papier bol nahrané na webovú stránku XENON1T .

O Nás

Publikácia Nezávislých, Osvedčených Skutočností O Správach O Zdraví, Priestore, Prírode, Technológii A Životnom Prostredí.