En ensam partikelkollision djupt under marken i South Dakota har fått fysiker att reagera. Händelsen i LUX-ZEPLIN-experimentet ser ut som en ovanligt energirik kärnrekyl och stämmer med flera modeller för mörk materia. Men forskarna är tydliga: en enda träff och en global signifikans på 2,6 sigma räcker inte för att tala om en upptäckt.
Mörk materia har gäckat fysiker i årtionden. Forskarna kan se dess gravitationella effekter över hela universum, men ingen har ännu lyckats identifiera vilken partikel eller annan fysik som faktiskt ligger bakom den.
Nu har världens känsligaste experiment för direkt jakt på mörk materia hittat något som sticker ut.
I LUX-ZEPLIN, LZ, nästan 1,5 kilometer under marken i den tidigare Homestake-guldgruvan i South Dakota, registrerades en kollision som forskarna hittills inte har kunnat förklara på ett övertygande sätt med kända bakgrunder.
Om händelsen faktiskt orsakades av mörk materia skulle den kunna vara den första direkta antydan om den osynliga materia som tros utgöra omkring 85 procent av all materia i universum.
Men det är fortfarande ett mycket stort om.
En enda ovanlig kollision stack ut
Den nya analysen bygger på 220 mätdygn mellan den 27 mars 2023 och den 1 april 2024.
Själva händelsen inträffade den 16 juni 2023.
Forskarna har nu analyserat ett betydligt bredare energiområde än i många tidigare sökningar efter så kallade WIMP-partiklar. Det är där den ovanliga signalen dyker upp.
| Mätning | Resultat |
|---|---|
| Avvikande händelser | 1 |
| Rekonstruerad kärnrekyl | cirka 248 keV |
| Global signifikans | 2,6 sigma |
| Högsta lokala signifikans | 3,4 sigma |
| Analyserad exponering | 2,84 tonår |
| Datamängd | 220 mätdygn |
Händelsen ser framför allt ut som en kärnrekyl.
Det är viktigt eftersom mörk materia, om den består av partiklar som kan kollidera med vanlig materia, skulle kunna stöta till en xenonkärna och få den att rekylera.
Vanlig radioaktiv bakgrund ger däremot ofta en annan typ av signal.
Enligt LZ ligger den aktuella händelsen bara omkring 1,5 standardavvikelser från den förväntade populationen av kärnrekyler, men hela 6,7 standardavvikelser från mitten av den betydligt vanligare populationen av elektronrekyler.
Det är en av orsakerna till att forskarna tar träffen på allvar.
Så fungerar LUX-ZEPLIN
LUX-ZEPLIN är byggt för att registrera extremt sällsynta kollisioner.
Experimentets hjärta innehåller flera ton flytande xenon. När en partikel träffar materialet kan två olika ljussignaler registreras.
Först uppstår en omedelbar ljusblixt. Därefter frigörs elektroner som transporteras genom xenonet och skapar en andra signal.
Genom att jämföra de båda kan forskarna bedöma vilken sorts kollision som har inträffat och var den skedde i detektorn.
Hela experimentet ligger djupt under marken för att skyddas från kosmisk strålning och annan störande bakgrund som annars skulle dränka de signaler forskarna försöker hitta.
I den aktuella händelsen befann sig kollisionen också inne i det område av detektorn där forskarna har bäst kontroll över bakgrunden, inte precis intill väggarna där falska signaler lättare kan uppstå.
LUX-ZEPLIN beskriver själv det nya resultatet som en intressant avvikelse, men forskarna betonar samtidigt att de inte hävdar att mörk materia har upptäckts.
Den enklaste förklaringen med mörk materia fungerar inte perfekt
Det finns dessutom en detalj som gör resultatet både mer spännande och mer komplicerat.
En av de mest klassiska kandidaterna till mörk materia är en så kallad WIMP, en Weakly Interacting Massive Particle.
I den enklaste versionen av modellen skulle en WIMP kunna träffa en atomkärna elastiskt och få kärnan att rekylera.
Problemet är att en WIMP som producerar en så energirik träff som den LZ nu har sett normalt också borde ge ett större antal träffar vid lägre energi.
De träffarna finns inte.
Den nya signalen passar därför inte särskilt bra med den allra enklaste WIMP-modellen.
Däremot finns mer komplicerade teorier där mörk materia skulle kunna ge just en sådan ovanligt energirik händelse.
Ett exempel är inelastisk spridning, där den inkommande partikeln förändras till ett tyngre tillstånd i samband med kollisionen.
Andra modeller innehåller växelverkningar där sannolikheten för en kollision ökar kraftigare med mängden överförd rörelsemängd.
I flera av de modellerna skulle mörk materia-partikeln behöva väga mer än omkring 200 GeV/c², alltså mer än 200 gånger så mycket som en proton.
Forskarna har försökt hitta andra förklaringar
Innan en så ovanlig signal kan kopplas till ny fysik måste praktiskt taget alla mer vardagliga förklaringar testas.
LZ-forskarna har därför undersökt bland annat neutroner, radioaktivitet, atmosfäriska neutriner, kalibreringseffekter och felaktigt sammankopplade signaler i detektorn.
Neutroner är särskilt besvärliga.
De kan träffa xenonkärnor och skapa kärnrekyler som liknar den signal mörk materia skulle kunna ge.
Men för att orsaka en rekyl på omkring 250 keV skulle neutronen behöva ha mycket hög energi. Forskarna bedömer samtidigt att det vore ovanligt att en sådan neutron bara gav just denna enda träff utan att skapa andra händelser som också borde ha synts.
LZ omges dessutom av särskilda system som ska hjälpa till att upptäcka neutroner.
Forskarna har också granskat vad som hände i experimentet före och efter kollisionen.
En kalibreringskälla hade tagits bort omkring 25 minuter före händelsen, men befann sig på motsatt sida av detektorn. Forskarna hittade ingen ovanlig population av signaler som tydligt kan koppla den märkliga träffen till kalibreringen.
Inte heller andra detektorförhållanden kring tidpunkten gav någon enkel förklaring.
Det betyder däremot inte att alla bakgrundseffekter är uteslutna.
Forskarna fortsätter uttryckligen att undersöka om det finns ovanliga eller dåligt modellerade processer som kan efterlikna signalen.
2,6 sigma är långt från en upptäckt
Det är här den viktigaste brasklappen kommer.
Den högsta lokala statistiska signifikansen i analysen är 3,4 sigma.
Men forskarna har testat flera olika möjliga modeller. När man tar hänsyn till att en stor mängd hypotetiska signaler har undersökts sjunker den globala signifikansen till 2,6 sigma.
Det är tillräckligt för att väcka intresse.
Det är inte tillräckligt för att deklarera en upptäckt.
Inom partikelfysiken används normalt omkring 5 sigma som gräns för att hävda en ny upptäckt.
Det motsvarar ungefär en chans på 3,5 miljoner att en lika stor statistisk avvikelse uppstår av slumpen under den modell som testas.
Även 2,6 sigma måste tolkas försiktigt. Det betyder inte att det är exempelvis 99,5 procents chans att signalen verkligen är mörk materia.
Statistiken säger hur ovanliga data är om de kända bakgrundsmodellerna är riktiga. Den talar inte direkt om sannolikheten för att en viss alternativ förklaring är sann.
Mer data avgör om signalen växer eller försvinner
Det som händer nu blir därför avgörande.
LUX-ZEPLIN har fortsatt samla data även efter den period som ingår i den nya analysen och arbetar mot sammanlagt omkring 1 000 mätdygn.
Det ger forskarna betydligt mer material att söka igenom.
Om den märkliga träffen verkligen är mörk materia borde fler data förr eller senare börja visa fler händelser som följer samma mönster.
De behöver inte vara identiska, men deras energi, frekvens och övriga egenskaper måste tillsammans passa en specifik modell bättre än kända bakgrundseffekter.
Om signalen däremot beror på slumpen är det troligt att dess statistiska betydelse minskar när mer data läggs till.
Ungefär samma sak kan hända om forskarna upptäcker en tidigare okänd bakgrundsmekanism som kan skapa den här typen av händelser.
Det är därför en enda extremt intressant träff aldrig är tillräcklig.
Varför en riktig upptäckt skulle vara enorm
Forskarnas problem är inte att de saknar bevis för att mörk materia påverkar universum.
Dess gravitation syns bland annat i hur galaxer roterar, hur galaxhopar beter sig, hur gravitationslinser böjer ljus och hur universums storskaliga struktur har vuxit fram.
Det stora mysteriet är i stället vad mörk materia faktiskt består av.
Omkring 85 procent av all materia uppskattas vara mörk materia. Räknar man hela universums massa och energi motsvarar den ungefär 27 procent.
Vanlig materia, alltså allt från stjärnor och planeter till människor och gasmoln, står bara för omkring fem procent.
Mörk materia har dessutom spelat en central roll i hur galaxerna och den struktur vi ser i universum kunnat bildas. I vår guide om universums historia finns en större genomgång av hur de första strukturerna växte fram.
Det som fortfarande saknas är den direkta kopplingen mellan de astronomiska effekterna och en bestämd partikel eller annan ny fysik.
Det är precis den pusselbiten experiment som LUX-ZEPLIN försöker hitta.
Det krävs innan forskarna kan säga att mörk materia är hittad
För att den nuvarande signalen ska utvecklas från en fascinerande avvikelse till ett verkligt genombrott behöver flera saker falla på plats.
Framför allt måste fler händelser dyka upp och följa ett konsekvent mönster.
Signifikansen måste växa när datamängden ökar, inte minska.
Forskarna måste dessutom fortsätta utesluta neutroner, radioaktivitet, kalibreringseffekter och andra möjliga störningar.
Om andra experiment så småningom ser kompatibla signaler skulle det göra fallet ännu starkare.
Först därefter går det att börja tala på allvar om att ett av modern fysiks största mysterier kan vara på väg att lösas.
Just nu har LUX-ZEPLIN bara en enda ovanlig kollision.
Men om fler liknande händelser följer kan den träffen från den 16 juni 2023 i efterhand visa sig ha varit första gången människan såg en direkt signal från den materia som dominerar universums galaxer.