Téměř 1,5 kilometru pod zemí v bývalém zlatém dole v americké Jižní Dakotě pracuje jeden z nejcitlivějších detektorů částic na světě. Experiment LUX-ZEPLIN, zkráceně LZ, se snaží zachytit částice temné hmoty, jejíž existenci astronomové odvozují z gravitačních účinků, ale kterou dosud nikdo přímo neidentifikoval. Nová analýza dat přinesla jedinou mimořádnou událost. Detektor zaznamenal interakci s charakteristikami jaderného odrazu o energii přibližně 248 keV. Právě v této energetické oblasti očekávají vědci jen velmi málo známého pozadí.

Výsledek proto zaujal celý tým. Neznamená ale, že LZ objevil temnou hmotu. Statistická významnost je zatím příliš nízká a stejný signál by mohl způsobit mimořádně vzácný dosud neidentifikovaný proces běžné hmoty. Nová analýza využívá 220 dní dat získaných mezi březnem 2023 a dubnem 2024 a odpovídá expozici 2,84 tunoroku. Vědci tentokrát rozšířili oblast hledání až přibližně k 270 keV, aby prověřili také méně obvyklé modely interakce temné hmoty.


Vysoká energie nalezené události je neobvyklá. Klasické modely slabě interagujících masivních částic WIMP většinou předpovídají více nízkoenergetických odrazů, existují však také složitější scénáře, které mohou vytvářet signály při vyšších energiích. Pokud by událost skutečně způsobila temná hmota, podle LZ by šlo pravděpodobně o částici s hmotností nejméně přibližně 200 GeV/c², tedy více než dvěstěkrát hmotnější než proton.

Výzkumníci podrobně modelovali možné zdroje běžného pozadí, včetně radioaktivních rozpadů, neutronů a dalších vzácných procesů uvnitř detektoru a v jeho okolí. Po započtení takzvaného look-elsewhere efektu, tedy skutečnosti, že se testovalo více možných modelů, vychází globální statistická významnost výsledku na 2,6 sigma. Lokálně dosahují některé testované scénáře až přibližně 3,4 sigma.


LUX-ZEPLIN je umístěn hluboko pod zemí právě proto, aby jej přibližně míle horniny chránila před většinou kosmického záření. Centrální xenonovou komoru navíc obklopují další detektory a vodní stínění, jejichž úkolem je rozpoznávat neutrony a jiné částice schopné napodobit hledaný signál. Experiment přitom pokračuje v měření a už nashromáždil podstatně více dat, než kolik obsahuje nynější analýza.

Právě další události rozhodnou, zda současný nález začne být skutečně zajímavý, nebo postupně ztratí význam. Pokud jde o nový typ interakce temné hmoty, měl by se s rostoucí expozicí objevit další podobný signál. Pokud šlo o statistickou fluktuaci nebo extrémně vzácné pozadí, významnost pravděpodobně klesne.

Na příběhu je proto nejzajímavější právě opatrnost vědců. LZ zachytil jednu událost na místě, kde jich podle známých modelů očekává velmi málo. To stačí k tomu, aby fyzikové zbystřili, ale ani zdaleka ne k tomu, aby oznámili objev. Jediný neobvyklý jaderný odraz hluboko pod Jižní Dakotou tak zatím zůstává otevřenou otázkou. Teprve další data ukážou, zda šlo o první stopu něčeho nového, nebo jen o mimořádně vzácnou událost, která se už nebude opakovat.



Zdroje: 1. Berkeley Lab – LZ Sees Surprising Result in Search for Dark Matter⁠; 2. LUX-ZEPLIN – Search for high-energy nuclear recoils⁠; 3. LUX-ZEPLIN – Publications⁠