O echipă internațională de oameni de știință a identificat un semnal neobișnuit care ar putea reprezenta una dintre cele mai importante indicii de până acum privind existența materiei întunecate. Semnalul a fost detectat de experimentul LUX-ZEPLIN (LZ), un dispozitiv construit special pentru căutarea particulelor care ar putea alcătui această substanță misterioasă.
Cercetătorii subliniază însă că rezultatul nu reprezintă încă o dovadă definitivă a materiei întunecate. Evenimentul analizat este unul singur, iar nivelul actual de semnificație statistică este mult prea mic pentru ca oamenii de știință să poată vorbi despre o descoperire confirmată, scrie CNN.
Totuși, echipa LZ consideră că acesta este cel mai convingător indiciu de materie întunecată înregistrat vreodată de experiment.
Materia întunecată reprezintă aproximativ 85% din materia Universului
Materia întunecată este una dintre marile necunoscute ale fizicii moderne. Potrivit estimărilor prezentate în material, aceasta reprezintă aproximativ 85% din toată materia din Univers și este de aproximativ cinci ori mai abundentă decât materia obișnuită, cea din care sunt alcătuite stelele, planetele și obiectele pe care oamenii de știință le pot observa.
Problema este că materia întunecată nu poate fi văzută. Ea nu absoarbe și nu reflectă lumina, însă interacționează cu materia obișnuită, iar efectele sale gravitaționale sunt considerate necesare pentru a explica structura Universului.
De aproape jumătate de secol, oamenii de știință încearcă să identifice substanța invizibilă. Dovezi importante privind existența ei au fost oferite de astronomii americani Vera Rubin și W. Kent Ford, iar cercetările au continuat prin dezvoltarea unor instrumente tot mai sofisticate.
Unul dintre acestea este experimentul LUX-ZEPLIN, cunoscut sub abrevierea LZ.
Un detector aflat la aproximativ 1,5 kilometri sub pământ
Experimentul LZ se află într-o fostă mină de aur din Dakota de Sud, la aproape un kilometru și jumătate sub suprafața Pământului. Detectorul conține șapte tone metrice de xenon lichid activ, ales pentru capacitatea sa de a evidenția eventualele interacțiuni cu particule de materie întunecată.
În iunie 2023, detectorul a înregistrat o interacțiune neobișnuită între particule. Evenimentul a produs o mică emisie de lumină și a atras atenția cercetătorilor.
Colaborarea LZ reunește aproximativ 250 de oameni de știință și ingineri din 39 de instituții. După luni de analiză, cercetătorii au estimat că există doar o probabilitate de 0,5% ca evenimentul să fi fost provocat de o sursă cunoscută de interferență.
Din acest motiv, echipa consideră că semnalul reprezintă cel mai puternic indiciu de materie întunecată observat până acum cu ajutorul instrumentului LZ.
De ce oamenii de știință nu vorbesc încă despre o descoperire
În fizica particulelor, un rezultat trebuie să atingă un nivel mult mai ridicat de certitudine statistică pentru a putea fi considerat o descoperire.
În prezent, analiza evenimentului LZ are o semnificație de 2,6 sigma, ceea ce corespunde unei probabilități de aproximativ 1 la 200 ca rezultatul să fie doar o fluctuație statistică.
Pragul utilizat pentru revendicarea unei descoperiri este de 5 sigma. Acesta corespunde unei probabilități de aproximativ 1 la 3,5 milioane ca rezultatul să fie o fluctuație statistică.
„Un singur eveniment, în sine, nu este suficient”, a explicat Alvine Kamaha, profesor asistent de fizică la University of California, Los Angeles și membră a colaborării LZ.
Potrivit cercetătoarei, oamenii de știință trebuie să verifice dacă vor apărea și alte evenimente pe măsură ce vor fi colectate mai multe date și dacă semnificația statistică a observației va crește.
Ce caută de fapt experimentul LZ
Una dintre posibilitățile investigate de cercetători este existența unor particule ipotetice numite WIMP, acronim pentru „weakly interacting massive particles”.
Dacă aceste particule există, ele ar putea traversa materia obișnuită fără să interacționeze cu aceasta în majoritatea situațiilor. Potrivit explicațiilor prezentate de cercetători, un număr foarte mare de astfel de particule ar putea trece prin corpul uman în fiecare secundă fără să fie detectate.
În cazuri extrem de rare, însă, o astfel de particulă s-ar putea ciocni de nucleul unui atom. În urma coliziunii, nucleul ar suferi un mic recul, iar tocmai acest tip de eveniment încearcă experimentul LZ să îl identifice.
Xenonul lichid este utilizat deoarece atomii săi au nuclee grele, ceea ce îl transformă într-o țintă sensibilă pentru eventualele WIMP-uri. Coliziunile din xenon produc semnale pe care detectorul le poate măsura.
De ce detectorul se află atât de adânc sub pământ
Experimentul LZ este amplasat la mare adâncime și are mai multe straturi de protecție pentru a reduce influența razelor cosmice și a altor surse de radiații.
Acestea pot produce semnale asemănătoare celor care ar putea fi generate de materia întunecată. Cercetătorii nu pot elimina complet acest „zgomot de fond”, ci doar îl pot reduce.
Tocmai de aceea, identificarea unui singur eveniment neobișnuit trebuie tratată cu foarte multă precauție.
Rick Gaitskell, profesor de fizică la Brown University și purtător de cuvânt al experimentului LZ, a explicat că există întotdeauna posibilitatea ca evenimentele observate în detector să fie provocate de mecanisme mai convenționale.
Interacțiunile potențiale cu materia întunecată sunt considerate extrem de rare. Din acest motiv, cercetătorii se așteaptă să fie nevoie de perioade de luni sau chiar ani pentru a identifica o singură interacțiune într-un detector de dimensiunea LZ.
Cercetătorii analizează acum 700 de zile de date
Evenimentul care a atras atenția echipei a fost identificat în urma analizei a 220 de zile de date, colectate între martie 2023 și aprilie 2024.
Acum, cercetătorii analizează un set de date mult mai mare, care acoperă 700 de zile. Ei speră ca în această perioadă să existe și alte interacțiuni care să permită stabilirea mai clară a naturii evenimentului observat în 2023.
Pentru această analiză, echipa introduce și metode menite să evite apariția unor prejudecăți inconștiente în interpretarea datelor.
Una dintre tehnici presupune introducerea unor „evenimente sintetice” în setul de date. Acestea arată pentru echipa de analiză precum interacțiuni reale produse de materia întunecată și sunt eliminate abia după finalizarea analizei.
Scopul este ca cercetătorii să nu știe care dintre semnale sunt artificiale și care provin din datele reale în timpul procesului de analiză.
Cercetătorii se tem să nu fie păcăliți de un semnal rar
Entuziasmul provocat de posibilitatea unei detectări este însoțit de o doză importantă de prudență.
Kimberly Palladino, profesor de fizică la University of Oxford și membră a colaborării LZ, a descris situația ca pe o tensiune între bucuria că experimentul funcționează așa cum a fost conceput și teama că oamenii de știință ar putea face o greșeală sau ar putea interpreta greșit un fenomen rar.
Cercetătoarea a avertizat că istoria experimentelor științifice conține numeroase situații în care au fost observate unul sau două evenimente inexplicabile, fără ca acestea să poată fi înțelese complet ulterior.
Tocmai de aceea, apariția unor noi evenimente ar fi extrem de importantă.
Dacă datele LZ vor conține alte posibile coliziuni cu materia întunecată, rezultatele ar putea fi verificate și prin intermediul altor experimente, precum XENONnT din Italia și PandaX-4T din China.
Evenimentul are o energie mai mare decât cea așteptată de multe modele
Un alt aspect care îi intrigă pe cercetători este energia evenimentului detectat.
Tim M.P. Tait, profesor în cadrul departamentului de fizică și astronomie de la University of California, Irvine, care nu face parte din colaborarea LZ, a subliniat că evenimentul a avut loc la o energie mult mai mare decât cea așteptată de majoritatea modelelor pentru WIMP-uri.
Acest lucru ar putea ridica posibilitatea ca materia întunecată să fie mai neobișnuită decât au presupus cercetătorii până acum.
Tracy Slatyer, profesor de fizică la Massachusetts Institute of Technology și cercetătoare care nu este implicată în colaborarea LZ, consideră de asemenea că este nevoie de o analiză suplimentară.
Ea a atras atenția asupra faptului că evenimentul are o energie destul de ridicată și că nu a fost însoțit de alte evenimente la energii mai scăzute. Dacă semnalul s-ar dovedi într-adevăr a fi produs de materia întunecată, acest aspect ar fi deosebit de interesant.
Ce ar însemna confirmarea materiei întunecate
O detectare definitivă a materiei întunecate ar reprezenta, potrivit cercetătorilor, o descoperire majoră.
Materia întunecată joacă un rol fundamental în formarea galaxiilor și în structura la scară largă a Universului, însă oamenii de știință nu știu încă ce este ea în realitate.
Confirmarea unei astfel de detectări ar deschide un domeniu nou în fizica particulelor și ar putea oferi informații despre natura materiei întunecate și despre modul în care aceasta interacționează cu particulele obișnuite.
Totuși, chiar și în cazul confirmării, ar mai exista foarte multe întrebări.
Cercetătorii ar trebui să studieze proprietățile materiei întunecate prin mai multe experimente și să folosească informațiile obținute pentru simulări astrofizice ale Universului. Există numeroase teorii despre natura materiei întunecate și este posibil chiar să existe mai multe tipuri de materie întunecată.
Semnalul trebuie confirmat prin mai multe observații
Pentru moment, rezultatul LZ rămâne o posibilă detectare, nu o confirmare.
Echipa are nevoie de mai multe date pentru a afla dacă evenimentul observat în 2023 reprezintă într-adevăr o interacțiune cu materia întunecată sau dacă a fost o fluctuație statistică ori rezultatul unui fenomen rar care nu a fost încă identificat.
Cercetătorii continuă analiza celor 700 de zile de date și speră să găsească evenimente suplimentare. Confirmarea unor semnale similare ar putea crește semnificația statistică și ar oferi un argument mai puternic în favoarea ipotezei că materia întunecată a fost în sfârșit observată.
Dacă semnalul va fi confirmat, oamenii de știință ar putea obține o nouă modalitate de a studia comportamentul materiei întunecate în apropierea Pământului și, posibil, la o scară mai largă în Univers.
Pentru moment însă, misterul rămâne deschis. Experimentul LZ a oferit un indiciu care îi intrigă pe cercetători, dar drumul până la o descoperire confirmată este încă lung.