Po analýze 220 dní měření zůstala vědcům v datech jediná událost, které se zbavují podstatně hůř než ostatních.
Jádro xenonu podle rekonstrukce dostalo kopanec odpovídající energii přibližně 248 keV. Právě v této oblasti přitom detektor očekával jen velmi málo známého pozadí. Statisticky jde o nejzajímavější náznak, který LZ dosud v tomto typu hledání získal.
Je to temná hmota? Možná. Jenže mezi slovem „možná“ a slovem „objev“ leží ve fyzice propast, kterou jeden osamělý náraz rozhodně nepřeklene.
Detektor čeká na částici, kterou nikdo nikdy přímo neviděl
O existenci temné hmoty dnes astronomové nepochybují proto, že by ji někdo chytil do zkumavky. Vidíme především její gravitační následky. Galaxie se otáčejí způsobem, který nelze vysvětlit pouze viditelnými hvězdami a plynem, kupy galaxií ohýbají světlo silněji, než by měla jejich viditelná hmota dovolovat, a modely vzniku velkorozměrové struktury vesmíru potřebují další složku hmoty.
Temná hmota tvoří zhruba 85 procent veškeré hmoty ve vesmíru, ale nevíme, z jakých částic je složena.
Jedním z dlouhodobých kandidátů jsou WIMPy – slabě interagující masivní částice. Pokud skutečně existují, měly by obrovským množstvím procházet Zemí a většinou se s ničím nesrazit. Jednou za velmi dlouhou dobu by však některá mohla narazit do atomového jádra. Právě na takový okamžik LUX-ZEPLIN čeká.
Deset tun xenonu ukrytých v bývalém zlatém dole
Detektor leží v Sanford Underground Research Facility v bývalém dole Homestake. Hluboké podzemí není dramatickou kulisou, ale nutností. Na zemský povrch neustále dopadají kosmické částice, které by citlivý experiment zaplavily falešnými signály.
Srdcem LZ je komora obsahující kapalný xenon. Když do xenonového atomu něco narazí, může vzniknout krátký světelný záblesk a uvolnit se elektrony. Z jejich signálu lze rekonstruovat místo i charakter interakce a odhadnout, zda šlo například o elektronový, nebo jaderný recoil.
Právě jaderný recoil je jednou z věcí, které by po sobě mohl zanechat WIMP.
Jenže úplně stejný problém jako skoro všude ve fyzice zní: temná hmota není jediná věc, která dokáže udeřit do atomového jádra.
MOHLO BY SE VÁM TAKÉ LÍBIT
Většinu zajímavých nárazů nakonec způsobí něco mnohem obyčejnějšího
Experiment proto musí bojovat s radioaktivitou okolních materiálů, neutrony, kosmickým zářením, vzácnými kombinacemi více procesů a dalšími formami pozadí.
Vědci se před analýzou dokonce chrání sami před sebou. LZ používá techniku zvanou salting, při níž jsou mezi skutečná data vloženy umělé události připomínající případný signál temné hmoty. Výzkumníci během analýzy nevědí, které kandidáty systém přidal. Teprve po dokončení postupů se „sůl“ odstraní. Po odhalení skutečných dat tentokrát zůstala jedna událost.
Její energie vyšla na 248 ± 23 keV statistické a ± 23 keV systematické nejistoty. To je poměrně vysoko oproti klasickým nízkoenergetickým hledáním WIMPů. Právě rozšíření sledovaného energetického okna až přibližně k 270 keV ale umožnilo LZ testovat také exotická rozšíření standardních scénářů temné hmoty.
A pak přišlo číslo 3,4 sigma
Pro některé z testovaných modelů dosahuje místní statistická významnost události až 3,4 sigma. To zní mnohem impozantněji, než co fyzikové nakonec hlásí. Problém se jmenuje look-elsewhere effect.
Představme si člověka, který jednou hodí dvacetkrát mincí a získá dvacetkrát hlavu. To by bylo mimořádné. Pokud ale deset milionů lidí provede deset milionů různých experimentů a potom někdo vybere nejpodivnější výsledek ze všech, jeho překvapivost už musíme hodnotit jinak.
Podobný princip platí i při hledání fyzikálního signálu. Pokud vědci prohledávají více modelů a různé části možného parametrického prostoru, dostávají také více příležitostí narazit čistě náhodou na místo, které vypadá neobvykle.
Po zahrnutí tohoto efektu klesá globální významnost výsledku LZ na 2,6 sigma. To je zajímavé. Ale ve světě částicové fyziky je standardem pro vyhlášení objevu přibližně 5 sigma.
Jediný event je navíc zvláštní problém sám o sobě
Statistika obvykle sílí opakováním. Pokud by LZ začal během dalších let zaznamenávat další podobné recoily se stejnými charakteristikami a jejich rozložení odpovídalo konkrétnímu modelu temné hmoty, situace by se dramaticky změnila.
Jeden event nic podobného neumožňuje.
Nemáme spektrum tvořené desítkami událostí. Nemáme opakující se charakteristický vzor. Nemáme nezávislý detektor, který by současně hlásil totéž.
Máme jeden velmi zajímavý bod. A přesto stačil na to, aby se teoretická fyzika okamžitě rozběhla.
MOHLO BY SE VÁM TAKÉ LÍBIT
Teoretici potřebovali jen několik hodin
Během několika dní po zveřejnění výsledku začaly na preprintových serverech přibývat práce navrhující různé způsoby, jak by částice temné hmoty mohla vytvořit právě osamělý vysokoenergetický recoil bez doprovodného množství událostí při nižších energiích.
Jedna možnost pracuje s inelastickou temnou hmotou. Částice by při srážce nepouze předala energii jádru, ale sama by přešla do jiného energetického stavu. Takový mechanismus dokáže přirozeně potlačit nízkoenergetické srážky a zvýraznit určitou část spektra.
Další model navrhl absorpci fermionické částice temné hmoty xenonovým jádrem. Výpočtem lze skutečně nastavit parametry tak, aby vznikl recoil velmi blízký právě 248 keV.
Pak ale přišla velmi důležitá druhá část fyzikální práce.
Autoři porovnali svůj model s výsledky jiného experimentu – KamLANDu. A zjistili, že parametrická oblast potřebná k vysvětlení LZ naráží na silná omezení z tamních dat. Model umí krásně vysvětlit jeden záhadný bod v LZ, ale zároveň by mohl předpovídat něco, co jinde pozorováno nebylo.
A právě to je mnohem zajímavější než rychlé oznámení „možná jsme našli temnou hmotu“.
Ve fyzice nestačí vysvětlit jednu záhadu
Dobrý nový fyzikální model musí přežít všechny experimenty, které se ho týkají.
Je poměrně snadné vytvořit teorii s dostatečným množstvím parametrů tak, aby prošla jedním konkrétním bodem. Mnohem těžší je zařídit, aby současně neodporovala pozorováním z jiných detektorů, kosmologie, urychlovačů či astrofyziky.
Proto se po každé podobné anomálii odehraje rychlý intelektuální turnaj. Experiment dodá podivnost. Teoretici navrhnou mechanismy. Jiné experimenty začnou jednotlivá vysvětlení vyřazovat. A nakonec často nezůstane nic. Občas ale něco přežije.
Co by se muselo stát, aby se z tohoto eventu stal objev
Nejdůležitější bude pokračování měření.
Pokud jde o neznámý druh pozadí, další data mohou odhalit podobné události v místech nebo souvislostech, které jeho původ prozradí. Pokud šlo o statistickou náhodu, event pravděpodobně zůstane osamocený a jeho významnost s rostoucím množstvím dat klesne.
Pokud je za ním skutečně nová fyzika, měla by časem zanechat další stopu. Ideální scénář by navíc obsahoval nezávislé potvrzení jiným experimentem.
Právě proto fyzikové kolem LZ používají mimořádně opatrná slova. Sami výslovně říkají, že netvrdí, že detekovali temnou hmotu. Zaznamenali událost, kterou současný model pozadí neumí pohodlně vysvětlit.
Jeden bod může být začátkem revoluce. Nebo vůbec ničeho
Historie fyziky zná obojí. Anomálie, které se později ukázaly jako první náznak nové částice. I vzrušující odchylky, které zmizely s větším množstvím dat, lepší kalibrací nebo nalezením nenápadného zdroje pozadí.
LZ zatím stojí přesně uprostřed těchto dvou možností. Něco udeřilo do xenonu energií přibližně 248 keV. Experiment si dal mimořádnou práci s tím, aby vysvětlil, co všechno známého to mohlo být.
Zůstalo něco neobvyklého. A vědecky nejsprávnější odpověď je zatím možná ta nejméně uspokojivá: nevíme.
Právě v následujících letech se ukáže, zda šlo o statistický šum, dosud přehlížený proces – nebo první osamělý úder něčeho, co tvoří většinu hmoty ve vesmíru.
MOHLO BY SE VÁM TAKÉ LÍBIT
Zdroje: Kód Enigma [1], LUX-ZEPLIN Collaboration – Search for dark matter particle interactions in an extended nuclear recoil energy window with the LUX-ZEPLIN experiment [2], LUX-ZEPLIN – New Results [3], U.S. Department of Energy – LZ Sees Surprising Result in Search for Dark Matter [4], Lou & Lu – Fermionic Dark Matter Absorption and the High-Energy Event in LUX-ZEPLIN [5]