XENON1T -detektorn. Synlig är den nedre matrisen av fotomultiplikatorrör, och kopparstrukturen som skapar det elektriska driftfältet. Kredit:Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe
Forskare från det internationella XENON-samarbetet, en internationell experimentgrupp inklusive Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU), University of Tokyo; Institutet för kosmisk strålforskning (ICRR), University of Tokyo; Institutet för Space-Earth Environmental Research (ISEE), Nagoya universitet; Kobayashi-Maskawa-institutet för partiklars och universums ursprung (KMI), Nagoya universitet; och Graduate School of Science, Kobe universitet, meddelade idag att data från deras XENON1T, världens mest känsliga experiment med mörk materia, visa ett överraskande överskott av händelser. Forskarna hävdar inte att de har hittat mörk materia. Istället, de har observerat en oväntad takt av händelser, vars källa ännu inte är helt klarlagd. Signaturen för överskottet liknar det som kan bli resultatet av en liten restmängd tritium (en väteatom med en proton och två neutroner), men kan också vara ett tecken på något mer spännande – som att det finns en ny partikel känd som solaxionen eller indikationen på tidigare okända egenskaper hos neutriner.
XENON1T drevs djupt under jorden vid INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso i Italien, från 2016 till 2018. Den var främst utformad för att upptäcka mörk materia, som utgör 85% av materien i universum. Än så länge, forskare har bara observerat indirekta bevis på mörk materia, och en definitiv, direkt upptäckt återstår ännu. Så kallade WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles) är bland de teoretiskt föredragna kandidaterna, och XENON1T har hittills satt den bästa gränsen för deras interaktionssannolikhet över ett stort antal WIMP -massor. Förutom WIMP mörk materia, XENON1T var också känsligt för olika typer av nya partiklar och interaktioner som kunde förklara andra öppna frågor inom fysiken. Förra året, använder samma detektor, dessa forskare publicerade i Natur observation av det sällsynta kärnkraftsförfallet som någonsin mätts direkt.
XENON1T-detektorn fylldes med 3,2 ton ultraren flytande xenon, 2,0 t varav fungerade som ett mål för partikelinteraktioner. När en partikel passerar målet, den kan generera små signaler av ljus och fria elektroner från en xenonatom. De flesta av dessa interaktioner sker från partiklar som är kända för att existera. Forskare uppskattade därför noggrant antalet bakgrundshändelser i XENON1T. När data från XENON1T jämfördes med känd bakgrund, ett överraskande överskott på 53 händelser jämfört med de förväntade 232 händelserna observerades.
Detta väcker den spännande frågan:Var kommer detta överskott ifrån?
Överskottet observerat i XENON1T i den elektroniska rekylbakgrunden vid låga energier, jämfört med den nivå som förväntas från kända bakgrunder som anges som den röda linjen. Kredit:Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe
En förklaring kan vara en ny, tidigare okänd bakgrundskälla, orsakas av närvaron av små mängder tritium i XENON1T-detektorn. Tritium, en radioaktiv isotop av väte, sönderfaller spontant genom att sända ut en elektron med en energi som liknar den som observerades. Endast ett fåtal tritiumatomer för var 10:e 25 (10, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000!) xenonatomer skulle behövas för att förklara överskottet. För närvarande, det finns inga oberoende mätningar som kan bekräfta eller motbevisa närvaron av tritium på den nivån i detektorn, så ett definitivt svar på denna förklaring är ännu inte möjligt.
Mer spännande, en annan förklaring kan vara förekomsten av en ny partikel. Faktiskt, det observerade överskottet har ett energispektrum som liknar det som förväntas från axioner som produceras i solen. Axioner är hypotetiska partiklar som föreslogs för att bevara en tidsreverserande symmetri av kärnkraften, och solen kan vara en stark källa till dem. Även om dessa solaxioner inte är kandidater för mörk materia, deras upptäckt skulle markera den första observationen av en välmotiverad men aldrig observerad klass av nya partiklar, med stor inverkan på vår förståelse av grundläggande fysik, men också om astrofysiska fenomen. Dessutom, axioner producerade i det tidiga universum kan också vara källan till mörk materia.
Alternativt, överskottet kan också bero på neutriner, biljoner som passerar genom din kropp, obehindrat, varje sekund. En förklaring kan vara att det magnetiska momentet (en egenskap hos alla partiklar) hos neutriner är större än dess värde i standardmodellen av elementarpartiklar. Detta skulle vara en stark ledtråd till någon annan ny fysik som behövs för att förklara det.
Av de tre förklaringarna som beaktades av XENON-samarbetet, det observerade överskottet överensstämmer mest med en sol-axionssignal. I statistiska termer, solaxionshypotesen har en signifikans på 3,5 sigma, vilket betyder att det finns ungefär en 2/10, 000 chans att det observerade överskottet beror på en slumpmässig fluktuation snarare än en signal. Även om denna betydelse är ganska hög, den är inte tillräckligt stor för att dra slutsatsen att axioner existerar. Betydelsen av både tritium- och neutrinomagnetiska momenthypoteserna motsvarar 3,2 sigma, vilket innebär att de också överensstämmer med uppgifterna.
XENON1T uppgraderar nu till sin nästa fas-XENONnT-med en aktiv xenonmassa som är tre gånger större och en bakgrund som förväntas vara lägre än XENON1T. Med bättre data från XENONnT, XENON-samarbetet är övertygat om att det snart kommer att ta reda på om detta överskott bara är en statistisk slump, en bakgrundsförorening, eller något mycket mer spännande:en ny partikel eller interaktion som går utöver känd fysik.
