Dwa ciosy w model ciemnej materii

Wielki, podziemny detektor Xenon to zbiornik zbudowany z tytanu, wypełniony ⅓ tony płynnego ksenonu. Gdyby WIMP-y reagowały z jądrami atomów ksenonu, wysyłane byłyby przy tym drobniutkie błyski światła, możliwe do wykrycia przez matryce fotopowielaczy zainstalowane na dnie i górnej ściance detektora – widoczne na powyższej fotografii. Źródło: Matthew Kapust. Copyright © South Dakota Science and Technology Authority

Dwa niedawno przeprowadzone doświadczenia nałożyły ograniczenia na faworyzowanego jak dotychczas przez fizyków kandydata na ciemną materię. Okazuje się, że ostatnie tygodnie nie były dobre dla tzw. WIMP-ów.

Słabo oddziaływające masywne cząstki (WIMP) należą do najlepszych kandydatów na od lat poszukiwaną przez fizyków ciemną materię – niewidziany materiał, który zdaje się tworzyć aż 84% całej masy Wszechświata. Ale ostatnie eksperymenty zaprojektowane w celu ich wykrycia zakończyły się fiaskiem, co poddaje w wątpliwość wcześniejsze, obiecujące wyniki w tej dziedzinie.

Z definicji ciemna materia nie oddziałuje ze światłem, zatem jest nie tylko ciemna, ale i przezroczysta dla każdego promieniowania. Wiadomo jednak, że podlega siłom grawitacji – jest to w zasadzie jedyny dowód na jej istnienie. Uwidacznia się ona na przykład w specyficznych krzywych rotacji galaktyk spiralnych.

Jednak teoria WIMP zakłada, że cząstki ciemnej materii mogą również oddziaływać poprzez słabe siły jądrowe, działające w materii na poziomie subatomowym. Jeśli zatem taka cząstka WIMP będzie sporadycznie natrafiać na ciężkie jądro atomowe, pozostawi możliwy do detekcji sygnał. Prawdopodobieństwo takiego zdarzenia jest bardzo niewielkie, jednak wykorzystanie detektorów umieszczonych pod ziemią i wyłożonych schłodzonym krzemem, germanem lub ksenonem znacząco je zwiększa.

Kilka takich detektorów zgłosiło już wykrycie śladów wskazujących na możliwość takich zderzeń – nie są to wciąż jednak jednoznaczne detekcje. Były to możliwe sygnały z WIMP-ów o masach rzędu 10 GeV – to zdarzenia warte odnotowania, ale nie są na tyle istotne pod względem statystycznym, by móc je nazwać odkryciem. Z kolei jeden z detektorów, DAMA/LIBRA, zarejestrował znacznie silniejszy sygnał, nie ma jednak pewności, że pochodzi on faktycznie z cząstki WIMP.

Jednak nie każdy taki eksperyment daje jakiekolwiek pozytywne wyniki, czyli możliwe ślady ciemnej materii. Projekt XENON-100 już wnosi pewne wątpliwości i zdaje się podważać poprzednio otrzymane, dość obiecujące wyniki. Nie odkryto w jego ramach ani jednej interakcji zwykłej materii z cząstką typu WIMP! To jednak nie przesądza sprawy definitywnie, bowiem, zdaniem fizyków, WIMP-y mogą na przykład oddziaływać nieco inaczej, niż dotychczas sądzono, z jądrami atomów krzemu w detektorze CDMS-II (gdzie takie zderzenia być może faktycznie wykryto), a inaczej – z podobna materią, ale w detektorze XENON-100.

Zerowy wynik

Mogą to jednak zmienić wyniki najnowszego doświadczenia - LUX (Large Underground Xenon) Richard Gaitskell z Brown University i Dan McKinsey z Yale ogłosili niedawno wnioski z pierwszych 85 dni trwania eksperymentu. Nowy detektor LUX jest 20 razy bardziej czuły niż XENON-100. Jeśli więc wyniki z całkiem już „przestarzałego” CDMS-II byłyby prawdziwe, dużo lepszy LUX wykryłby, zdaniem naukowców, około1550 WIMP-ów. Jednak – nie znalazł nic.

To wynik bardzo rozczarowujący, a z drugiej strony ciekawy, bowiem stojący w jawnej sprzeczności z wcześniejszymi doniesieniami. Jeśli bowiem LUX podważa możliwość wcześniejszego wykrycia WIMP-ów, co właściwie zobaczyły poprzednie detektory - CDMS-II, CoGeNT i CRESST? Zdaniem Gaitskella trudno ufać tamtym wynikom, które były raportowane, al w rzeczywistości leżały na granicy zdolności obserwacyjnej użytego w tych projektach sprzętu. Jednak, z drugiej strony, nie można już stwierdzić tak łatwo, że marginalne były także dane z detektora DAMA. Co więcej – jest praktycznie niemożliwe wyjaśnienie tych konkretnie wyników jedynie statystycznym szumem. Coś tam zatem zostało naprawdę zmierzone, jednak precyzja tego pomiaru była za mała, by jednoznacznie określić, co. Być może jest to coś z Kosmosu, a może czynnik pochodzenia ziemskiego. Nawet jeśli wszystkie poprzednie ślady WIMP-ów były nieprawdziwe, zdaniem naukowców jest jeszcze wiele opartych na tej teorii modeli, które trzeba przetestować. WIMP-y nadal są więc faworyzowane, jeśli chodzi o kandydatów na ciemną materię.

Brakujące promienie Gamma

Bezpośrednie detekcje tak bardzo ulotnych cząstek, w dodatku unikających zwyczajnej materii, są bardzo trudne. Dlatego też wielu naukowców woli inną metodę poszukiwań - badania pośrednie. Standardowy model zakłada, że wszystkie cząstki mają swoje własne antycząstki, jeśli więc WIMP-y spotkają się gdzieś w przestrzeni kosmicznej z antycząstkami, wzajemnie z nimi anihilują, a przy tym wydzieli się silny błysk promieniowania gamma o energii charakterystycznej dla mas poszczególnych cząstek. Satelita Fermi przeszukał nasze niebo pod kątem śladów takich anihilacji, koncentrując się przede wszystkim na pobliskich galaktykach karłowatych. To właśnie one mogą zawierać bardzo wiele ciemnej materii, przez co – jak się uważa – mogą być silnymi źródłami promieniowania gamma. Jednak zgodnie z wynikami opublikowanymi ostatnio w The Physical Review D nie znaleziono żadnych takich śladów w aż 25 pobliskich galaktykach. Jednak Fermi zbiera dane nadal – jeśli więc cząstki WIMP naprawdę istnieją, naukowcy spodziewają się je wkrótce znaleźć.


Więcej w artykule First results from the LUX dark matter experiment at the Sanford Underground Research Facility.

Źródło: Elżbieta Kuligowska | Źródło: astronomy.com

Liczba odsłon: 2101