Eksperymenty związane z ciemną materią po raz pierwszy rzucą okiem na 'mgłę neutrinową'.

„Mgławica” neutrin zaczyna się materializować.

Lekkie subatomowe cząstki zwane neutrino zaczęły wciskać się do danych eksperymentów, które nie były projektowane do ich detekcji. Jak informują fizycy, dwa eksperymenty, zbudowane w celu wykrywania cząstek ciemnej materii, złapały pierwsze spojrzenia na neutrino pochodzące ze Słońca. „To tryumf” - mówi fizyk neutrino Kate Scholberg z Duke University, która nie brała udziału w badaniach. Wskazówki tych neutrin są długo oczekiwanym znakiem poprawiającej się wydajności detektorów. „To właściwie kamień milowy” - dodaje Scholberg. 

Znana jako „mgła neutrin”, ta sygnatura sugeruje nowy sposób badania trudnych do wykrycia subatomowych cząstek. Ale także wskazuje na początek końca dla detektorów ciemnej materii tego typu, które mają na celu wykrycie niezidentyfikowanych masowych cząstek, które powiększają kosmos. Jak te detektory stają się bardziej zdolne, mgła neutrin może zasłonić potencjalne sygnały ciemnej materii. 

Eksperyment XENONnT (wymawiane jako „ksenon n-ton”) w Laboratorium Narodowym Gran Sasso we Włoszech, zauważył znaki neutrin, które zostały wyprodukowane w Słońcu, jak informują fizycy 10 lipca na Międzynarodowym Warsztacie na Temat Identyfikacji Ciemnej Materii w L’Aquila we Włoszech. Natomiast eksperyment PandaX-4T w Chińskim Podziemnym Laboratorium Jinping w Liangshan, zobaczył podobne dowody, jak informują badacze 8 lipca na warsztacie i w artykule zgłoszonym 15 lipca do arXiv.org. 

Wynik „otwiera nowe drzwi korzystania z naszych detektorów do badania neutrin oraz poszukiwania z nimi związanych nowych zjawisk fizycznych” - mówi fizyk Ning Zhou z Uniwersytetu Jiao Tong w Szanghaju, zastępca rzecznika PandaX. 

W procesach fuzji jądrowej, które napędzają Słońce, powstaje ogromna ilość neutrin w różnego rodzaju reakcjach (SN: 1/9/14). Najbardziej energetyczne z nich pochodzą z rozpadu radioaktywnego boru-8, rodzaju boru powstałego w trakcie procesu fuzji. Naukowcy od dawna przewidywali, że te neutrina są dość powszechne i mają odpowiednią energię, aby zostać zauważone w detektorach ciemnej materii. Tego właśnie znalazły te dwa detektory ciemnej materii.

Każdy eksperyment zawiera kilka metrycznych ton z ciekłym ksenonem. Jeśli cząstka ciemnej materii uderzy w jądro atomu ksenonu, eksperymenty mogą wykryć, jak to jądro odskakuje w odpowiedzi, ujawniając obecność ciemnej materii. Ale neutrina także mogą uderzać w jądra atomowe, powodując podobne odrzuty. Ten rodzaj interakcji, w której neutrino uderza w całe jądro atomowe, a nie pojedynczy proton lub neutron, został po raz pierwszy zauważony w 2017 roku w eksperymencie COHERENT, wykorzystując neutrina z laboratorium (SN: 3/8/17). Dwa nowe eksperymenty stanowią pierwsze oznaki uderzenia jądra przez neutrina ze Słońca. Naukowcy wcześniej wykryli neutrino ze Słońca innymi metodami (SN: 24/6/20). 

W przyszłości wykrywanie neutrin ze Słońca poprzez jądra, które poruszają, może pomóc fizykom lepiej zrozumieć te cząstki. Na przykład, naukowcy mogliby badać sygnał neutronowy w poszukiwaniu tego, czego mogą brakować detektorom: hipotetycznych „sterilnych” neutrin, które nie oddziałują z materią w ogóle, poza siłami grawitacyjnymi (SN: 27/10/21). Detektory ciemnej materii mogą także wykryć neutrina z innych źródeł, takich jak pobliskie wybuchające gwiazdy. „To bardzo fajne, że widzimy, jak możemy zamienić ten detektor w obserwatorium neutrin” - mówi fizyk Michael Murra z Uniwersytetu Columbia, członek współpracy XENONnT.

Neutrina jeszcze nie ograniczają wydajności detektorów ciemnej materii. Sygnał z neutrin słonecznych zasłoniłby jedynie cząstki ciemnej materii o niższej masie, które znajdują się poniżej zakresu mas, którym te detektory najbardziej dokładnie się przyglądają w poszukiwaniu ciemnej materii. Jest jeszcze długa droga do tego, zanim neutrina zaczną zalewać wykrywanie ciemnej materii o wyższych masach. 

Następne pokolenie detektorów ciemnej materii, poza XENONnT i PandaX-4T, powinno nadal być w stanie szukać ciemnej materii. Ale dalsze usprawnienie zacznie stawać się trudne. Zamiast tego, naukowcy mogą przenieść się na detektory, które mierzą kierunek napływających cząstek. Pozwoliłoby to badaczom na poszukiwanie ciemnych interakcji pochodzących spoza Słońca, wyeliminowanie neutrin słonecznych z ich danych.