ניסוי LUX-ZEPLIN תיעד סימן אפשרי ראשון לחלקיק של חומר אפל

משתתפי הניסוי הבינלאומי LUX-ZEPLIN (LZ) דיווחו על תיעוד אינטראקציה חריגה של חלקיק עם אטום קסנון, שעד כה לא ניתן להסבירה באמצעות תהליכי רקע מוכרים. ייתכן שהאירוע קשור ל-WIMP – חלקיק היפותטי כבד בעל אינטראקציה חלשה, הנחשב לאחד המועמדים המרכזיים לתפקיד החומר האפל. עם זאת, המובהקות הסטטיסטית של התוצאה עומדת על כ-2.6 סיגמא בלבד, ולכן אין עדיין מקום לדבר על תגלית.

האירוע, שקיבל את הסימון LZ230616, תועד ב-16 ביוני 2023 והתגלה בניתוח חדש של 220 יממות תצפיות שנאספו ממרץ 2023 ועד אפריל 2024. הגלאי של LZ ממוקם בעומק של כמעט קילומטר וחצי מתחת לפני האדמה, במכרה זהב לשעבר שבמתקן המחקר התת-קרקעי Sanford Underground Research Facility בדרום דקוטה, ומכיל כ-10 טונות של קסנון נוזלי סופר-נקי. בהתנגשות של חלקיק עם גרעין קסנון נוצרים ריקול גרעיני והבזק אור חלש, שעל פי מאפייניו אפשר לשחזר את טיב האינטראקציה.

המחקר החדש הוקדש לטווח רחב יותר של אינטראקציות אפשריות של WIMP מאשר החיפושים הקודמים של LZ. האירוע שתועד נמצא בתחום אנרגיות שבו הרקע הצפוי נמוך ביותר, ולא לווה בסיגנלים בגלאים החיצוניים שיכלו להצביע על מקור רגיל של החלקיק. אם אכן מדובר ב-WIMP, מסתו, לפי חישובי החוקרים, צריכה לעלות על כ-200 GeV/c² – כלומר להיות גדולה פי יותר מ-200 ממסת הפרוטון. בנוסף, אופי ההתנגשות אינו תואם את המודל הפשוט ביותר של אינטראקציה בין WIMP לחומר רגיל.

המחבר הראשי של העבודה, סם אריקסן מאוניברסיטת בריסטול, כינה את התוצאה "צעד ראשון" אפשרי לקראת תצפית בחומר אפל כחלקיק, אך הדגיש שמדובר באירוע אחד בלבד. לפי הערכת אוניברסיטת בריסטול, ההסתברות לקבל תוצאה חריגה כל כך בשל תהליך רקע אקראי היא כ-1 ל-200 – זה בהחלט אינו מספיק לרמת המהימנות המקובלת בפיזיקת החלקיקים לצורך הכרזה על תגלית. הצוות ממשיך לבחון הסברים חלופיים אפשריים, ובהם תהליכים רדיואקטיביים ונייטרינו נדירים.

החומר האפל, שקיומו הוכח עד כה רק על פי השפעתו הגרוויטציונית על גלקסיות ועל המבנה רחב-הממדים של היקום, מהווה כ-85% מכלל החומר. LZ ממשיך באיסוף נתונים, וכבר עומד לרשות החוקרים מאגר תצפיות חדש בהיקף גדול פי שניים בערך מזה שבו נמצא LZ230616. הוא זה שאמור להראות אם יופיעו אירועים חדשים בעלי אותם מאפיינים: גילוי כזה יעלה בחדות את הסבירות ש-LZ אכן תיעד לראשונה חלקיק של חומר אפל, ואילו היעדר חזרות יחזק את ההסברים החלופיים.