Temno snov je zelo težko zaznati. Tako težko, da ga še nismo zaznali. Dokaze za temno snov je mogoče videti v vsem, od upogibanja svetlobe v bližini galaksij do načina, kako se galaksije kopičijo. Prepričani smo, da je temna snov resnična, a to tudi vemo ni mogoče izdelati iz nobene vrste delcev, ki jih trenutno poznamo. Toda nova študija je odkrila nekaj zanimivih podatkov, ki bi lahko bili dokaz temne snovi ali ne.
Kaj vemo o interakcijah s temno snovjo. Zasluge: Inštitut Perimeter
Osrednja lastnost temne snovi je, da ne deluje močno z običajno snovjo ali svetlobo. Ker sestavlja večino snovi v kozmosu, mora biti skoraj neviden, sicer bi ga že zdavnaj videli. Toda z običajno snovjo bi moral delovati na subtilne načine, podobno kot nevtrini v interakciji s snovjo.
Nevtrini večinoma ignorirajo običajno snov. Trenutno skoraj trilijon nevtrinov teče skozi vaše telo vsako sekundo in tega ne boste nikoli opazili. Toda občasno lahko nevtrino trči v jedro atoma in ustvari nekaj zatečenih fotonov ali elementarnih delcev. Ti trki so tako redki, da nevtrinski observatoriji pogosto vključujejo občutljive detektorje v velikih območjih tekočine ali ledu. Ker bi morala temna snov podobno delovati z običajno snovjo, opazovalnice temne snovi sledijo podobni zasnovi.
Hipotetični aksion trči z elektroni v XENON1T. Zasluge: SLAC National Accelerator Laboratory
Sodelovanje XENON1T je eden takšnih eksperimentov s temno snovjo. Zakopan globoko pod zemljo, vključuje niz detektorjev, napolnjen s tono prečiščenega tekočega ksenona. Projekt uporablja ksenon namesto vode, ker je iskal težke delce temne snovi, znane kot WIMP. Če obstajajo, bi bili WIMP veliko težji od nevtrinov, kar pomeni, da bi ob trku z običajno snovjo ustvarili razločen podpis. Tako bi lahko XENON1T učinkovito izklopil druge potepuške signale, da bi se osredotočil samo na WIMP.
Na žalost ekipa ni odkrila nobenih WIMP-jev. Tako je ekipa prilagodila svoj eksperiment, da bi poiskala drugo vrsto delcev temne snovi znane kot aksioni. Aksioni so bili prvič predlagani leta 1977 za reševanje nekaterih subtilnih problemov v fiziki delcev, vendar so njihove teoretične lastnosti podobne lastnostim temne snovi.
Težava je v tem, da bi bil aksionski signal v XENON1T podoben številnim drugim signalom. Stvari, kot so radioaktivni razpad atomov v detektorju ali občasni trki nevtrinov. Toda ti učinki so znani, zato lahko izračunate število pričakovanih dogodkov. Če so aksioni resnični, bi morali povzročiti presežek dogodkov. To bi bil signal nad hrupom v ozadju. Točno to je ekipa videla.
Presežne dogodke, ki jih vidi XENON1T. Zasluge: E. Aprile, et al
To lahko vidite na sliki iz njihovega papirja. Rdeča črta prikazuje pričakovani signal ozadja, črne črte pa podatki XENON1T. Večinoma se strinja, razen na nižji energijski strani. Če izračunamo, je presežek 3,5 sigma. Ni dovolj visoko, da bi bilo dokončno, je pa več kot dovolj, da je zanimivo.
Čeprav je to vznemirljivo, avtorji poudarjajo, da to ni prepričljiv dokaz temne snovi. Čeprav je to vrsta signala, ki bi ga lahko proizvedli aksioni, bi lahko veliko drugih stvari proizvedlo podoben signal. Detektor bi lahko imel manjšo kontaminacijo, kot so količine vodika-3 v sledovih. Lahko bi prišlo tudi do nekega astrofizičnega procesa, ki proizvaja nevtrine, čeprav se to zdi manj verjetno. Bistvo je, da moramo biti previdni. Če je to aksionski signal, bodo nadaljnje študije to potrdile.
Referenca:E. April, et al. “ Opazovanje presežnih elektronskih povratnih dogodkov v XENON1T .'arXiv prednatisarXiv: 2006.09721 (2020).