Temnou hmotu je notoricky obtížné odhalit. Tak těžké, že jsme to ještě nezjistili. Důkaz temné hmoty lze vidět ve všem, od deformace světla v blízkosti galaxií až po způsob, jakým se galaxie shlukují. Jsme si docela jisti, že temná hmota je skutečná, ale také to víme nelze vyrobit z žádného typu částic, které v současnosti známe. Ale nová studie našla některá zajímavá data, která by mohla být důkazem temné hmoty, nebo ne.
Co víme o interakcích temné hmoty. Kredit: Perimeter Institute
Ústřední vlastností temné hmoty je, že neinteraguje silně s běžnou hmotou nebo světlem. Protože tvoří většinu hmoty ve vesmíru, musí být téměř neviditelný, jinak bychom ho viděli už dávno. Ale měl by interagovat s běžnou hmotou jemnými způsoby, podobně jako neutrina interagují s hmotou.
Neutrina většinou ignorují běžnou hmotu. Právě teď proudí vaším tělem každou sekundu téměř bilion neutrin a vy si toho nikdy nevšimnete. Ale tu a tam se neutrino může srazit s jádrem atomu a vytvořit několik zbloudilých fotonů nebo elementárních částic. Tyto srážky jsou tak vzácné, že neutrinové observatoře často zahrnují citlivé detektory ve velkých oblastech tekutiny nebo ledu. Protože by temná hmota měla podobně interagovat s běžnou hmotou, observatoře temné hmoty mají podobný design.
Hypotetický axion se srazí s elektrony v XENON1T. Kredit: SLAC National Accelerator Laboratory
Spolupráce XENON1T je jedním z takových experimentů s temnou hmotou. Je pohřben hluboko pod zemí a zahrnuje detektorové pole naplněné tunou čištěného kapalného xenonu. Projekt používá spíše xenon než vodu, protože hledal těžké částice temné hmoty známé jako WIMP. Pokud by existovaly, byly by WIMP mnohem těžší než neutrina, což znamená, že by při srážce s běžnou hmotou produkovaly zřetelný podpis. XENON1T by tedy mohl efektivně vyladit další bludné signály a soustředit se pouze na WIMP.
Bohužel tým nezjistil žádné WIMP. Tým tedy svůj experiment vylepšil, aby hledal jiný typ částic temné hmoty známé jako axiony. Axions byly poprvé navrženy v roce 1977 k vyřešení některých jemných problémů ve fyzice částic, ale jejich teoretické vlastnosti jsou podobné vlastnostem temné hmoty.
Problém je v tom, že signál axion v XENON1T by byl podobný mnoha jiným signálům. Věci jako radioaktivní rozpad atomů v detektoru nebo občasné srážky neutrin. Ale tyto efekty jsou známé, takže si můžete spočítat počet očekávaných událostí. Pokud jsou axie skutečné, měly by produkovat přemíru událostí. Byl by to signál nad šumem v pozadí. To je přesně to, co tým viděl.
Nadměrné události zaznamenané XENON1T. Kredit: E. Aprile, et al
Můžete to vidět na obrázku z jejich papíru. Červená čára ukazuje očekávaný signál pozadí, zatímco černé pruhy jsou údaje XENON1T. Většinou souhlasí, s výjimkou spodního energetického konce. Když si to spočítáme, jde o přebytek 3,5 sigma. Není to dost vysoké, aby to bylo průkazné, ale je to víc než dost, aby to bylo zajímavé.
I když je to vzrušující, autoři zdůrazňují, že to není přesvědčivý důkaz temné hmoty. I když je to druh signálu, který by mohly produkovat axiony, mnoho dalších věcí by mohlo produkovat podobný signál. Detektor může mít nějaké malé znečištění, jako jsou stopová množství vodíku-3. Mohl by také existovat nějaký astrofyzikální proces produkující neutrina, i když se to zdá méně pravděpodobné. Jde o to, že bychom měli být opatrní. Pokud se jedná o axionový signál, další studie to potvrdí.
Odkaz:E. April a kol. “ Pozorování nadměrných událostí elektronického zpětného rázu v XENON1T .'arXiv předtiskarXiv: 2006.09721 (2020).