Experiment označovaný jako „historický” a „rekordní”, který využíval detektor částic umístěný v hloubce 1,6 km v Jižní Dakotě, USA, byl zaměřen na identifikaci teoretických částic temné hmoty, o níž se předpokládá, že tvoří převážnou většinu hmoty ve vesmíru. Vysvětlení však skončilo bez úspěchu v rozpoznání takových částic.
Experiment známý jako LUX-ZEPLIN (LZ) s využitím největší databáze tohoto typu na světě bezprecedentně omezil potenciální vlastnosti jedné z hlavních kandidátských částic na temnou hmotu. Přesto studie nenalezla žádné důkazy o přítomnosti této tajemné teoretické látky, ale pomůže budoucím výzkumům vyhnout se falešným pozitivním výsledkům.
„Naším posláním je pokusit se vyřešit tento problém, tuto obrovskou chybějící část v našem chápání vesmíru,“ prohlásil pro Live Science Rick Gaitskell, vedoucí skupiny astrofyziků na Brownově univerzitě a člen výzkumného týmu LZ, podle Agerpres.
Výsledky, které byly prezentovány v pondělí (8. prosince) na vědecké konferenci konané v Sanford Underground Research Facility, místě, kde je umístěn detektor částic použítý v experimentu, byly zaslány k publikaci v časopise Physical Review Letters a v současné době jsou dostupné pouze v archivu preprint arXiv.
Tým si stanovil dva základní cíle pro tento experiment. Prvním cílem bylo objasnění „chutí“ částic temné hmoty, nazývaných masivní slabě interagující částice (WIMP). V oblasti fyziky částic se „chuť“ odkazuje na základní vlastnost, která odlišuje různé typy elementárních částic.
Druhým cílem bylo otestování schopností detektoru identifikovat sluneční neutriny – subatomární částice s téměř žádnou hmotností, které vznikají v jaderných reakcích uvnitř Slunce. Tým předpokládal, že signatura detekce těchto částic by mohla být podobná té, která byla předpovězena některými modely temné hmoty, ale bylo nutné identifikovat sluneční neutriny pro jistotu.
Před experimentem, který probíhal po dobu 417 dní mezi březnem 2023 a dubnem 2025, byla citlivost detektoru zvýšena, aby mohl lépe detekovat vzácné interakce mezi fundamentálními částicemi. Experiment se odehrával ve válcovém prostoru naplněném tekutým xenonem. Vědci hledali známky kolizí mezi částicemi WIMP nebo neutriny a xenonem, což by vedlo k produkci záblesků fotonů a pozitivně nabitých elektronů.
Experiment však přinesl určité pokroky ve vědeckém poznání jak pro WIMP, tak pro neutriny. Pokud jde o neutriny, vědci uvádějí, že získali údaje, které ukazují, že typ slunečního neutrina zvaný boron-8 skutečně interaguje s xenonem. Tyto informace pomohou budoucím experimentům vyhnout se falešným pozitivním detekcím temné hmoty.
Objevy v oblasti fyziky musí obvykle dosáhnout úrovně důvěry nazvané „5 sigma“, aby byly považovány za platné. Nový experiment dosáhl 4,5 sigma – což je značné zlepšení ve srovnání s výsledky pod 3 sigma, které hlásily dva detektory loni. Toto bylo obzvlášť pozoruhodné, vzhledem k tomu, že detekce neutrino boron-8 se v detektoru uskutečňují pouze přibližně jednou měsíčně, i když se monitoruje 10 tun xenonu, podle Gaitskella.
Pokud jde však o problém temné hmoty, vědci nenašli nic definitivního pro typy WIMP s nízkou hmotností, které hledali. Podle vědců by tým věděl, že našel něco, kdyby zachytil výsledek interakce mezi částicemi WIMP a molekulou xenonu – v okamžiku, kdy k této interakci dojde, energie kolize vytváří charakteristický podpis, jak to předpovídají modely.
„Pokud vezmeme jádro, je možné, že temná hmota vstoupí a zároveň se rozptýlí z celého jádra a způsobí jeho stažení,“ řekl Gaitskell.
„Je známa jako koherentní rozptyl. Má charakteristický podpis v xenonu. Takže hledáme tyto koherentní jaderné zpětné rázové události,“ dodal.
Nové kolo detekcí, které bude delší, začne v roce 2028, kdy se očekává, že detektor shromáždí výsledky za rekordních 1.000 dní. Delší období nabízejí vědcům lepší šanci na zachycení vzácných událostí.
Detektor se kromě dalších slunečních neutrino nebo interakcí WIMP bude také snažit nalézt další fyzikální prvky, které by mohly zapadat do Standardního modelu fyziky částic, o němž se říká, že popisuje většinu prostředí kolem nás.
Rick Gaitskell také zdůraznil, že úlohou vědy je pokračovat v pokroku i v situacích, kdy se objevují „negativní“ výsledky. „Jedna věc, kterou jsme se naučili, je nikdy nepředpokládat, že příroda dělá věci tak, jak si myslíme, že by měly,“ řekl Gaitskell, který hledá temnou hmotu více než čtyři desetiletí.
„Existuje řada (řešení) elegantních hypotéz, o nichž byste mohli říci: Je to tak krásné. Musí to být pravda. A testovali jsme je… a ukázalo se, že příroda je ignorovala a nechtěla se vydat tímto konkrétním směrem.“
