Observation af overskydende hændelser i XENON1T mørkt stof-eksperimentet

Forskere fra det internationale XENON-samarbejde, en international eksperimentel gruppe, herunder Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU), University of Tokyo; Institut for Kosmisk Stråleforskning (ICRR), University of Tokyo; Institute for Space-Earth Environmental Research (ISEE), Nagoya Universitet; Kobayashi-Maskawa Institute for Particles and the Universe (KMI), Nagoya University; og Graduate School of Science, Kobe Universitet, meddelte i dag, at data fra deres XENON1T, verdens mest følsomme eksperiment med mørkt stof, vise et overraskende overskud af begivenheder. Forskerne påstår ikke at have fundet mørkt stof. I stedet, de har observeret en uventet hastighed af begivenheder, hvis kilde endnu ikke er fuldt ud forstået. Underskriften på overskuddet ligner det, der kan skyldes en lille restmængde tritium (et hydrogenatom med en proton og to neutroner), men kunne også være et tegn på noget mere spændende – såsom eksistensen af ​​en ny partikel kendt som solar axion eller indikationen af ​​hidtil ukendte egenskaber for neutrinoer.

XENON1T blev opereret dybt under jorden på INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso i Italien, fra 2016 til 2018. Det var primært designet til at opdage mørkt stof, som udgør 85% af stoffet i universet. Indtil nu, forskere har kun observeret indirekte tegn på mørkt stof, og en endelig, direkte påvisning mangler endnu. Såkaldte WIMP'er (Weakly Interacting Massive Particles) er blandt de teoretisk foretrukne kandidater, og XENON1T har hidtil sat den bedste grænse for deres interaktionssandsynlighed over en lang række WIMP -masser. Ud over WIMP mørkt stof, XENON1T var også følsom over for forskellige typer nye partikler og interaktioner, der kunne forklare andre åbne spørgsmål inden for fysik. Sidste år, ved hjælp af den samme detektor, disse videnskabsmænd udgivet i Natur observation af det sjældneste atomforfald, der nogensinde er målt direkte.

XENON1T-detektoren var fyldt med 3,2 tons ultrarent flydende xenon, 2,0 t, hvoraf tjente som mål for partikelinteraktioner. Når en partikel krydser målet, det kan generere bittesmå lyssignaler og frie elektroner fra et xenonatom. De fleste af disse vekselvirkninger sker fra partikler, der vides at eksistere. Forskere estimerede derfor omhyggeligt antallet af baggrundsbegivenheder i XENON1T. Når data for XENON1T blev sammenlignet med kendte baggrunde, der blev observeret et overraskende overskud på 53 hændelser i forhold til de forventede 232 hændelser.

Dette rejser det spændende spørgsmål:Hvor kommer dette overskud fra?

En forklaring kunne være en ny, tidligere uovervejet baggrundskilde, forårsaget af tilstedeværelsen af ​​små mængder tritium i XENON1T -detektoren. Tritium, en radioaktiv isotop af brint henfalder spontant ved at udsende en elektron med en energi, der ligner det, der blev observeret. Kun få tritiumatomer for hver 10 ²⁵ (10, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000!) Xenonatomer ville være nødvendige for at forklare overskuddet. I øjeblikket, der er ingen uafhængige målinger, der kan bekræfte eller afkræfte tilstedeværelsen af ​​tritium på det niveau i detektoren, så et endeligt svar på denne forklaring er endnu ikke muligt.

Mere spændende, en anden forklaring kunne være eksistensen af ​​en ny partikel. Faktisk, det observerede overskud har et energispektrum svarende til det, der forventes fra aksioner produceret i solen. Aksioner er hypotetiske partikler, der blev foreslået for at bevare en tidsomvendt symmetri af atomkraften, og Solen kan være en stærk kilde til dem. Selvom disse solaksioner ikke er kandidater til mørkt stof, deres påvisning ville markere den første observation af en velmotiveret, men aldrig observeret klasse af nye partikler, med stor indflydelse på vores forståelse af grundlæggende fysik, men også om astrofysiske fænomener. I øvrigt, aksioner produceret i det tidlige univers kunne også være kilden til mørkt stof.

Alternativt overskuddet kan også skyldes neutrinoer, hvoraf billioner passerer gennem din krop, uhindret, hvert sekund. En forklaring kan være, at det magnetiske moment (en egenskab for alle partikler) for neutrinoer er større end dets værdi i standardmodellen for elementarpartikler. Dette ville være et stærkt tip til en anden ny fysik, der er nødvendig for at forklare det.

Af de tre forklaringer, som XENON-samarbejdet overvejer, det observerede overskud stemmer mest overens med et solaksionssignal. I statistiske termer, solaksionshypotesen har en betydning på 3,5 sigma, hvilket betyder, at der er omkring en 2/10, 000 chance for, at det observerede overskud skyldes en tilfældig udsving frem for et signal. Selvom denne betydning er ret høj, den er ikke stor nok til at konkludere, at der findes aksioner. Betydningen af ​​både tritium og neutrino magnetiske momenthypoteser svarer til 3,2 sigma, hvilket betyder, at de også stemmer overens med dataene.

XENON1T opgraderer nu til sin næste fase-XENONnT-med en aktiv xenonmasse tre gange større og en baggrund, der forventes at være lavere end XENON1T. Med bedre data fra XENONnT, XENON-samarbejdet er overbevist om, at det snart vil finde ud af, om dette overskud er et rent statistisk lykketræf, en baggrundsforurening, eller noget langt mere spændende:en ny partikel eller interaktion, der går ud over kendt fysik.