Mörk materiaexperiment får en första skymt av 'neutrino dimma'

Neutrinon "dimma" börjar materialisera sig.

Lätta subatomära partiklar som kallas neutrinos har börjat tränga sig in i datan från experiment som inte var avsedda att upptäcka dem. Två experiment, byggda för att upptäcka partiklar av mörk materia, har fångat inledande glimtar av neutrinos födda i solen, fysiker rapporterar. "Det är en triumf," säger neutrino-fysiker Kate Scholberg vid Duke University, som inte var involverad i forskningen. Ledtrådarna till dessa neutrinos är en länge efterlängtad tecken på att detektorerna förbättrar sin prestanda. "Det är faktiskt en milstolpe," säger Scholberg.

Känt som "neutrino dimma", signaturen föreslår ett nytt sätt att studera de svåra att upptäcka subatomära partiklarna. Men det pekar också mot början på slutet för de mörk materia detektorer av denna typ, som syftar till att upptäcka de icke-identifierade massiva partiklarna som stärker upp kosmos. När dessa detektorer blir mer kapabla, kan neutrino dimman skymma potentiella tecken på mörk materia.

XENONnT (uttalas "xenon n-ton") experimentet, vid Gran Sasso National Laboratory i Italien, såg tecken på neutrinos som hade producerats i solen, fysiker rapporterade den 10 juli på International Workshop on the Identification of Dark Matter i L'Aquila, Italien. Och PandaX-4T experimentet, vid China Jinping Underground Laboratory i Liangshan, såg liknande bevis, forskare rapporterade den 8 juli på workshopen och i en artikel inskickad den 15 juli till arXiv.org.

Resultatet "öppnar [en] ny dörr för att använda våra detektorer för att studera neutrinos och söka efter associerade nya fysiska fenomen," säger fysiker Ning Zhou från Shanghai Jiao Tong University, en företrädare för PandaX.

I de kärnfusionsprocesser som driver solen, produceras många neutrinos i en mängd olika reaktioner. Några av de mest energiska kommer från den radioaktiva sönderfallet av boron-8, en typ av bor som skapas under fusionsprocessen. Forskare hade länge förutspått att dessa neutrinos är tillräckligt vanliga och har de lämpliga energierna för att synas i mörk materia detektorer. Det är vad de två mörk materia detektorerna har hittat.

Varje experiment rymmer flera metriska ton flytande xenon. Om en mörk materia partikel kolliderar med kärnan av en xenonatom, kan experimenten upptäcka att kärnan rekylar som svar, avslöjande mörk materias närvaro. Men neutrinos kan också krascha in i atomkärnor, vilket orsakar liknande rekylar. Denna typ av interaktion, där en neutrino stöter in i en hel atomkärna istället för en individuell proton eller neutron, sågs först 2017 i COHERENT-experimentet med neutrinos från en laboratoriekälla. De två nya experimenten markerar de första tecknen på att neutrinos från solen träffar atomkärnor. Tidigare upptäckte forskare solneutrinos på andra sätt.

I framtiden kan detektera solneutrinos via de kärnor de slår omkring hjälpa fysiker att förstå partiklarna bättre. Till exempel kan forskare studera neutrinosignalen för att leta efter vad detektorer kanske missar: hypotetiska "sterila" neutrinos som inte skulle interagera med materia alls, förutom gravitationskrafter. Mörk materia detektorer kan också upptäcka neutrinos från andra källor, som närliggande exploderande stjärnor. "Det är väldigt häftigt att se att vi kan göra denna detektor till en neutrinoobservatorium," säger fysiker Michael Murra från Columbia University, en medlem av XENONnT-samarbetet.

Neutrinos begränsar ännu inte prestandan för mörk materia detektorer. Solen neutrinosignalen skulle endast skymma lågmassa mörk materia partiklar, som faller under det massintervall som dessa detektorer noggrant undersöker för mörk materia. Det är fortfarande långt kvar innan neutrinos börjar översvämma mörk materia detektering av högre massor.

Nästa generation av mörk materia detektorer, bortom XENONnT och PandaX-4T, borde fortfarande kunna söka efter mörk materia. Men ytterligare förbättring kommer att börja bli svårt. Istället kan forskare gå över till detektorer som mäter riktningen för de inkommande partiklarna. Det skulle tillåta forskare att leta efter mörka interaktioner som uppstår bortom solen och eliminera solneutrinos från deras data.