Donkere materie-experimenten werpen een eerste blik op de 'neutrinenevel'.

De neutrino "mist" begint zich te manifesteren.

Lichtgewicht subatomaire deeltjes genaamd neutrino's zijn begonnen hun weg te banen in de gegevens van experimenten die niet ontworpen zijn om ze op te sporen. Twee experimenten, gebouwd om deeltjes van donkere materie op te sporen, hebben eerste glimpen opgevangen van neutrino's die in de zon zijn ontstaan, zo rapporteren natuurkundigen. "Dat is een overwinning," zegt neutrino-fysicus Kate Scholberg van de Duke University, die niet betrokken was bij het onderzoek. De aanwijzingen van deze neutrino's zijn een langverwacht teken van de verbeterde prestaties van de detectors. "Het is eigenlijk een mijlpaal," zegt Scholberg.

Bekend als de "neutrino mist," suggereert de handtekening een nieuwe manier om de moeilijk detecteerbare subatomaire deeltjes te bestuderen. Maar het wijst ook op het begin van het einde voor dit type donkere materiedetectoren, die tot doel hebben de ongeïdentificeerde massieve deeltjes op te sporen die het heelal vullen. Naarmate deze detectors capabeler worden, kan de neutrino mist potentieel bewijzen van donkere materie vervagen.

Het XENONnT (uitgesproken als "xenon n-ton") experiment, bij het Gran Sasso National Laboratory in Italië, zag tekens van neutrino's die in de zon waren geproduceerd, zo rapporteerden natuurkundigen op 10 juli tijdens het Internationale Workshop over de Identificatie van Donkere Materie in L'Aquila, Italië. En het PandaX-4T experiment, bij het China Jinping Underground Laboratory in Liangshan, zag soortgelijk bewijs, onderzoekers rapporteerden op de workshop op 8 juli en in een paper ingediend op 15 juli bij arXiv.org.

Het resultaat "opent een nieuwe deur om onze detectors te gebruiken om neutrino's te bestuderen en te zoeken naar bijbehorende nieuwe verschijnselen in de natuurkunde," zegt fysicus Ning Zhou van de Shanghai Jiao Tong University, plaatsvervangend woordvoerder van PandaX.

In de nucleaire fusieprocessen die de zon aandrijven, worden massa's neutrino's geproduceerd in verschillende reacties (SN: 9/1/14). Enkele van de meest energieke komen voort uit de radioactieve afbraak van boor-8, een type boor dat wordt gecreëerd tijdens het fusieproces. Wetenschappers hadden al lang voorspeld dat die neutrino's veelvoorkomend genoeg zijn, en de juiste energie hebben, om te worden gezien in donkere materiedetectoren. Dat is wat de twee donkere materie detectors hebben gevonden.

Elk experiment huisvest meerdere metrische tonnen vloeibaar xenon. Als een deeltje van donkere materie botst met de kern van een xenon-atoom, kunnen de experimenten die kern detecteren die terugdeinst als reactie, waardoor de aanwezigheid van donkere materie wordt onthuld. Maar neutrino's kunnen ook inslaan op atoomkernen, vergelijkbare terugslagen veroorzakend. Dit type interactie, waarbij een neutrino botst met een volledige atoomkern in plaats van een individueel proton of neutron, werd voor het eerst gezien in 2017 in het COHERENT-experiment, met neutrino's van een laboratoriumbron (SN: 8/3/17). De twee nieuwe experimenten markeren de eerste tekenen van botsingen tussen neutrino's van de zon en atoomkernen. Wetenschappers hebben voorheen zonne-neutrino's op andere manieren gedetecteerd.

In de toekomst kan het detecteren van zonne-neutrino's via de kernen waar ze tegenaan botsen, fysici helpen te begrijpen de deeltjes beter te begrijpen. Zo zouden wetenschappers het neutrinosignaal kunnen bestuderen om te zoeken naar wat detectors wellicht missen: hypothetische "steriele" neutrino's die niet interageren met materie, behalve met zwaartekracht (SN: 10/27/21). Donkere materie detectors zouden ook neutrino's van andere bronnen kunnen zien, zoals nabijgelegen exploderende sterren. "Het is erg gaaf om te zien dat we deze detector kunnen omvormen tot een neutrino-observatorium," zegt fysicus Michael Murra van de Columbia University, lid van de XENONnT samenwerking.

Neutrino's beperken momenteel nog niet de prestaties van donkere materiedetectoren. Het zonne-neutrinosignaal zou alleen lage massa donkere materiedeeltjes verhullen, die onder het massabereik vallen dat deze detectors het zorgvuldigst onderzoeken voor donkere materie. Er is nog een lange weg te gaan voordat neutrino's beginnen de donkere materiedetectie van hogere massa's te overweldigen.

De volgende generatie donkere materiedetectoren, voorbij XENONnT en PandaX-4T, zou nog steeds in staat moeten zijn om naar donkere materie te zoeken. Maar verdere verbetering zal beginnen moeilijk te worden. In plaats daarvan zouden wetenschappers over kunnen stappen op detectors die de richting van de binnenkomende deeltjes meten. Dat zou onderzoekers in staat stellen te zoeken naar donkere interacties die afkomstig zijn van andere bronnen dan de zon, waardoor zonne-neutrino's uit hun gegevens kunnen worden geëlimineerd.