Ο πιο ευαίσθητος ανιχνευτής σκοτεινής ύλης στον κόσμο, ο LUX-ZEPLIN (LZ), κυκλοφόρησε νέα αποτελέσματα που περιορίζουν σημαντικά την αναζήτηση ασθενώς αλληλεπιδρώντων μαζικών σωματιδίων (WIMPs), που είναι κορυφαίοι υποψήφιοι για τη σκοτεινή ύλη. Με άλλα λόγια δεν ανιχνεύθηκαν σημάδια της μυστηριώδους ουσίας που αποτελεί το 85% της μάζας του σύμπαντος.
Κανείς δεν έχει παρατηρήσει άμεσα την σκοτεινή ύλη, παρά την επικράτηση της στο σύμπαν. Δεν εκπέμπει, δεν αντανακλά και δεν απορροφά φως, γεγονός που την καθιστά μια απίστευτη πρόκληση για μελέτη. Ωστόσο, οι βαρυτικές της επιδράσεις στους γαλαξίες και σε άλλες κοσμικές δομές έχουν αφήσει αναμφισβήτητα τα ‘δακτυλικά’ της αποτυπώματα, ωθώντας τους επιστήμονες να αναπτύξουν όλο και πιο εξελιγμένες μεθόδους για την ανίχνευση της.
Το πείραμα LZ, με επικεφαλής το Εθνικό Εργαστήριο Lawrence Berkeley του Υπουργείου Ενέργειας ΗΠΑ, λειτουργεί από ένα σπήλαιο σχεδόν 1700 μ. υπογείως στο Sanford Underground Research Facility στη Νότια Ντακότα. Αυτό το βάθος προστατεύει τον ανιχνευτή από κοσμικές ακτίνες που θα μπορούσαν να επηρεάσουν πιθανά σήματα σκοτεινής ύλης.
Το LZ αναζητά έναν υποθετικό τύπο σωματιδίων σκοτεινής ύλης που ονομάζονται ασθενώς αλληλεπιδρώντα σωματίδια μάζας, συγκεκριμένα WIMP με μάζες πάνω από 9 δισεκατομμύρια ηλεκτρονιοβόλτ. (Για σύγκριση, ένα πρωτόνιο έχει μάζα περίπου 1 δισεκατομμύριο ηλεκτρονιοβόλτ). Ένα ηλεκτρονιοβόλτ (eV) αποτελεί μονάδα μέτρησης της ενέργειας, που χρησιμοποιείται κυρίως σε ατομικό και υποατομικό επίπεδο και εκφράζει το ποσό της κινητικής ενέργειας που αποκτά ένα μη δεσμικό ηλεκτρόνιο καθώς περνά από ηλεκτροστατική διαφορά δυναμικού ενός βολτ (V) στο κενό.
Ο ανιχνευτής LZ χρησιμοποιεί 10 τόνους υγρού xenon ως κύριο μέσο ανίχνευσης. Η ιδέα είναι απλή αλλά ευφυής: ένα σωματίδιο σκοτεινής ύλης μπορεί να συγκρουστεί με έναν πυρήνα xenon, προκαλώντας την ανάκρουσή του. Αυτή η ανάκρουση παράγει μια μικροσκοπική λάμψη και απελευθερώνει ηλεκτρόνια, τα οποία στη συνέχεια συλλαμβάνονται από τον εξαιρετικά ευαίσθητο εξοπλισμό. Αυτά τα σήματα διακρίνονται από τον θόρυβο του περιβάλλοντος, επιτρέποντας στους επιστήμονες να εντοπίσουν πιθανές αλληλεπιδράσεις της σκοτεινής ύλης.
Τα τελευταία αποτελέσματα του πειράματος αναλύουν δεδομένα 280 ημερών, συνδυάζοντας ένα νέο σύνολο 220 ημερών με 60 ημέρες από την πρώτη του εκτέλεση. Η ομάδα δεν βρήκε στοιχεία WIMP πάνω από μια μάζα 9 gigaelectrovolts/c2 (GeV/c2), η οποία είναι περίπου 9 φορές η μάζα ενός πρωτονίου.
Ο Scott Kravitz, αναπληρωτής συντονιστής φυσικής του LZ, θέτει αυτό το επίτευγμα σε προοπτική: «Αν σκεφτείτε την αναζήτηση της σκοτεινής ύλης όπως την αναζήτηση θαμμένου θησαυρού, έχουμε σκάψει σχεδόν πέντε φορές πιο βαθιά από οποιονδήποτε άλλο στο παρελθόν. Αυτό είναι κάτι που δεν το κάνεις με ένα εκατομμύριο φτυάρια – το κάνεις εφευρίσκοντας ένα νέο εργαλείο».
Τα αποτελέσματα του πειράματος LZ έχουν εκτεταμένες επιπτώσεις στην κατανόησή μας για το σύμπαν. Αποκλείοντας ορισμένες περιοχές μάζας για WIMP, οι επιστήμονες μπορούν να επικεντρώσουν τις προσπάθειές τους σε ανεξερεύνητες περιοχές. Οι τεχνικές που αναπτύχθηκαν για τις ανάγκες του LZ θα μπορούσαν επίσης να έχουν εφαρμογές σε άλλους τομείς που απαιτούν εξαιρετικά ευαίσθητες μεθόδους ανίχνευσης. Ίσως το πιο σημαντικό, ο εντοπισμός της φύσης της σκοτεινής ύλης θα έφερνε ‘επανάσταση’ στην κατανόησή μας για τη δομή και την εξέλιξη του σύμπαντος.
Η ερευνητική κοινοπραξία του LZ σχεδιάζει τώρα να συλλέξει δεδομένα 1.000 ημερών πριν ολοκληρωθεί το 2028. Αυτή η εκτεταμένη σειρά, σε συνδυασμό με συνεχείς βελτιώσεις στις τεχνικές ανάλυσης, θα μπορούσε ενδεχομένως να οδηγήσει σε πρωτοποριακές ανακαλύψεις.
Καθώς η αναζήτηση συνεχίζεται, οι επιστήμονες αντιμετωπίζουν πολλά βασικά ερωτήματα. Εάν τα WIMP δεν εντοπιστούν στο τρέχον εύρος αναζήτησης, ποιους άλλους υποψήφιους για τη σκοτεινή ύλη θα μπορούσαν να εξερευνήσουν; Πώς μπορούν οι βελτιώσεις στην τεχνολογία ανιχνευτών και τις μεθόδους ανάλυσης να επεκτείνουν περαιτέρω τις δυνατότητες αναζήτησής τους; Και τι επιπτώσεις θα είχε μια οριστική ανίχνευση (ή μη ανίχνευση) της σκοτεινής ύλης για τα σημερινά μοντέλα σωματιδιακής φυσικής και κοσμολογίας; Αναμένουμε απαντήσεις.
*Οι επιστήμονες συναντήθηκαν μέσα στον Αύγουστο στο TeV Particle Astrophysics meeting στο Σικάγο και στο Light Detection in Noble Elements meeting στο Σάο Πάολο
