22ΟΣ ΑΙΩΝΑΣ
18/06/2020 18:06 EEST

«Περίεργα» αποτελέσματα από πείραμα πάνω στη Σκοτεινή Ύλη

Έκπληξη από δεδομένα του πειράματος XENON1T.

XENON Collaboration
.

Έντονο επιστημονικό ενδιαφέρον έχουν προκαλέσει αποτελέσματα από το πείραμα XENON1T- το πιο ευαίσθητο πείραμα πάνω στη Σκοτεινή Ύλη στον κόσμο.

Το πείραμα έλαβε χώρα στο INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso στην Ιταλία από το 2016 ως το 2018, και σε αυτό συμμετείχαν ερευνητές από το Kavli IPMU, το ICRR (και τα δύο υπάγονται στο Πανεπιστήμιο του Τόκιο) το ISEE και το ΚΜΙ (Πανεπιστήμιο της Ναγκόγια) και τη Σχολή Επιστημών του Πανεπιστημίου του Κόμπε. Όπως αναφέρεται σε ανακοίνωση του Kavli IPMU, οι επιστήμονες δεν ισχυρίζουν πως ανακάλυψαν Σκοτεινή Ύλη, μα υποστηρίζουν πως παρατήρησαν έναν απρόσμενο αριθμό συμβάντων, η προέλευση των οποίων δεν έχει γίνει ακόμα κατανοητή.

Το ίχνος αυτής της υπέρβασης/ πλεονάσματος είναι αντίστοιχο αυτού που μπορεί να προέκυπτε από μια μικρή ποσότητα τριτίου (ένα άτομο υδρογόνου με ένα πρωτόνιο και δύο νετρόνια), μα θα μπορούσε επίσης να υποδεικνύει κάτι πολύ πιο ενδιαφέρον, όπως την ύπαρξη ενός νέου σωματιδίου, του ηλιακού αξιονίου (solar axion) ή άγνωστες μέχρι τώρα ιδιότητες των νετρίνων.

Σκοπός του πειράματος ήταν ο εντοπισμός Σκοτεινής Ύλης, που αποτελεί το 85% της ύλης στο σύμπαν. Μέχρι τώρα οι επιστήμονες είχαν βρει μόνο έμμεσα στοιχεία περί ύπαρξης Σκοτεινής Ύλης- δεν έχει λάβει ως τώρα απευθείας παρατήρηση.

Μεταξύ των θεωρητικών «υποψηφίων» σωματιδίων είναι τα αποκαλούμενα WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles), και το XENON1T έχει μέχρι τώρα παρουσιάσει τις καλύτερες επιδόσεις ως προς την πιθανότητα αλληλεπίδρασής τους σε ένα μεγάλο εύρος μαζών. Πέρα από τη Σκοτεινή Ύλη WIMP, το XENON1T ήταν επίσης ευαίσθητο σε διαφορετικά είδη νέων σωματιδίων και αλληλεπιδράσεων που θα μπορούσαν να απαντούν σε άλλα ανοιχτά ερωτήματα της Φυσικής.

Ο ανιχνευτής του XENON1T ήταν γεμάτος με 3,2 τόνους υγροποιημένου ξένου πολύ υψηλής καθαρότητας. Από αυτή την ποσότητα, οι δύο τόνοι λειτουργούσαν ως στόχος για αλληλεπιδράσεις σωματιδίων. Όταν ένα σωματίδιο διέρχεται από έναν τέτοιο στόχο, μπορεί να παράγει μικροσκοπικά σήματα φωτός και να απελευθερώσει ηλεκτρόνια από ένα άτομο ξένου. Οι περισσότερες από αυτές τις αλληλεπιδράσεις λαμβάνουν χώρα από σωματίδια που είναι γνωστά.

Οι επιστήμονες εξέτασαν τον αριθμό των συμβάντων που λάμβαναν χώρα στο «φόντο» στο XENON1T- και όταν σύγκριναν τα αποτελέσματα αυτά με γνωστά «φόντα», προέκυψαν 53 περισσότερα από τα 232 που αναμένονταν, δημιουργώντας το ερώτημα της προέλευσής τους.

Οι πιθανές εξηγήσεις

Όπως αναφέρεται στην ανακοίνωση του Kavli IPMU, μία εξήγηση θα μπορούσε να είναι μια νέα πηγή που μέχρι τώρα δεν είχε ληφθεί υπόψιν, που προκύπτει από την παρουσία μικρών ποσοτήτων τριτίου στον ανιχνευτή XENON1T. Το τρίτιο, ένα ραδιενεργό ισότοπο, αποσυντίθεται στιγμιαία εκπέμποντας ένα ηλεκτρόνιο με ενέργεια παρόμοια με αυτήν που παρατηρήθηκε. Για να εξηγηθεί το πλεόνασμα θα χρειάζονταν μόνο λίγα άτομα τριτίου για κάθε 1025 (10.000.000.000.000.000.000.000.000). Αυτή τη στιγμή δεν υπάρχουν ανεξάρτητες μετρήσεις που να μπορούν να επιβεβαιώσουν ή να διαψεύσουν την παρουσία τριτίου σε τέτοιο επίπεδο στον ανιχνευτή.

Μια άλλη, πιο «συναρπαστική» εξήγηση θα ήταν η ύπαρξη ενός νέου σωματιδίου: Το πλεόνασμα που παρατηρήθηκε έχει ενεργειακό φάσμα παρόμοιο με αυτό που αναμένεται από αξιόνια που παράγονται στον Ήλιο. Τα αξιόνια είναι υποθετικά σωματίδια που, αν και μπορεί να μην είναι υποψήφια για Σκοτεινή Ύλη, ο εντοπισμός τους θα σήμαινε την πρώτη παρατήρηση μιας κατηγορίας νέων σωματιδίων που δεν έχουν παρατηρηθεί ως τώρα, με μεγάλη επίδραση στην κατανόηση που έχουμε ως προς τη θεμελιώδη φυσική, μα και σε αστροφυσικά φαινόμενα. Επιπλέον, αξιόνια που είχα παραχθεί στις αρχές του σύμπαντος θα μπορούσαν να είχαν αποτελέσει πηγή της Σκοτεινής Ύλης.

Εναλλακτικά το πλεόνασμα αυτό θα μπορούσε να οφείλεται σε νετρίνα- τα οποία διέρχονται μέσα από τα σώματά μας ανά τρισεκατομμύρια κάθε δευτερόλεπτο. Μία εξήγηση θα μπορούσε να είναι πως η μαγνητική ροπή των νετρίνων είναι μεγαλύτερη από την τιμή της στο Καθιερωμένο Μοντέλο των βασικών σωματιδίων. Αυτό θα αποτελούσε μια σοβαρή ένδειξη πως απαιτούνται νέα «κεφάλαια» στη Φυσική για να υπάρξει επαρκής επεξήγηση.

Από τις τρεις θεωρίες αυτή που φαίνεται πιθανότερη είναι αυτή του σήματος ηλιακού αξιονίου- αν και η πιθανότητα αυτής της υπόθεσης, αν και σχετικά υψηλή, δεν φτάνει σε επίπεδο που να επιτρέπει να εξαχθεί το συμπέρασμα πως τα αξιόνια υπάρχουν. Επί της παρούσης το πείραμα XENON1T αναβαθμίζεται στην επόμενη φάση του, XENONnT, με ενεργή μάζα ενεργού ξένου τρεις φορές μεγαλύτερη και ένα φόντο που αναμένεται να είναι μικρότερος από αυτόν του XENON1T. Με καλύτερα δεδομένα από το XENONnT, ελπίζεται πως θα διαπιστωθεί τι ακριβώς υποδεικνύουν τα προαναφερθέντα ευρήματατα.

Στο πρόγραμμα XENON συμμετέχουν 163 επιστήμονες από 28 ιδρύματα σε 11 χώρες.