Část experimentu XENON1T. Kredit: Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe.

Gran Sasso, čili Velká skála, je vápencový masív v Abruzských Apeninách ve střední Itálií. Hluboko pod horou se nacházejí podzemní laboratoře INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso, v nichž pracuje experiment XENON1T, momentálně nejcitlivější zařízení pro hledání temné hmoty.

Početné mezinárodní výzkumné sdružení XENON právě ohlásilo, že narazilo na něco zajímavého. Jak protřelí milovníci vědy již nejspíš odhadli, nejde o tolik vytouženou temnou hmotu. To by byla jiná káva a po celém světě by se slavilo. Poté, co se loni experiment XENON1T zapsal do historie pozorování rozpadu radioaktivního xenonu-124, což bylo nadšeně hodnoceno jako „nejvzácnější událost pozorovaná v historii vědy“, přichází tento xenonový zázrak s nečekanými výsledky, který by mohly prolomit cestu k nové fyzice. Pátrání po temné hmotě tím ale dostává již poněkud tragikomický nádech, protože navzdory heroickému úsilí, které přináší jeden nečekaný objev za druhým, samotná temná hmota zavile odolává.

Nadbytek událostí na pozadí, na experimentu XENON1T. Červeně očekávané hodnoty. Kredit: Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe.

Jde o to, že na experimentu XENON1T pozorovali překvapující nadbytek detekčních událostí. Detektor experimentu je vlastně nádrž obsahující 3,2 tuny ultračistého zkapalnělého xenonu, z nichž 2 tuny slouží jako terč pro detekované částice. Když tímto terčem projdou některé částice, tak to vyvolá záblesk a vyzáření elektronů, což následně experiment zachytí. Většina z těchto interakcí přitom pochází od již známých částic. Vědci týmu XENON proto pečlivě odhadují počet takových to interakcí „na pozadí“, které je potřeba odlišit od možných zásahů částic temné hmoty.

XENON1T byl postavený tak, aby detekoval WIMPy (Weakly Interacting Massive Particles), tedy hypotetické částice, které náležejí k významným kandidátům na temnou hmotu. Potíž je v tom, že badatelé na základě výpočtů a porovnávání s jinými studiemi určili, že by za sledované období mělo v experimentu XENON1T dojít ke 232 detekčním událostem „na pozadí“. Ve skutečnosti jich ale bylo o 53 více.

Gran Sasso. Kredit: Raboe001 / Wikimedia Commons.

Na první pohled jde o vcelku nepatrná čísla, která by neměla budit rozruch. Potíž je ale v tom, že zatím není jasné, kde se ty nadbytečné události vzaly. Jedno z možných vysvětlení by bylo docela prosté. Pokud se do experimentu dostalo nepatrné množství radioaktivního tritia, tak by to pozorovaná čísla vysvětlilo. Stačilo by pár atomů tritia na každých 10²⁵ atomů xenonu. To je ale nutné ověřit a zatím tomu nic moc nenasvědčuje.

Ve hře je i nová částice. Mohlo by totiž jít o historicky první detekci axionů, které by zřejmě pocházely ze Slunce. Naznačuje to energetické spektrum „nadbytečných“ detekční událostí. Solární axiony by přitom sice neměly být hledanými částicemi temné hmoty, ale mohly by zásadně ovlivnit celou fyziku. Byl by to objev celé nové kategorie částic, o nichž se doposud jen teoretizovalo. S temnou hmotou by pak mohly úzce souviset axiony, které mohly vzniknout na úsvitu vesmíru.

Další možností je, že XENON1T detekoval odchylku od Standardního modelu částicové fyziky. Spočívala by v tom, že magnetický moment neutrin je větší, než si myslíme. To by otevíralo dveře nové fyzice, které by se v takové odchylce nejspíše skrývala.

Podle vědců je z těchto tří uvedených možností nejvíce pravděpodobný objev solárních axionů. Pohybuje se na statistické úrovni 3,5 sigma, což znamená, že s pravděpodobností cca 2 ku 10 tisícům jde o náhodný šum. To je slušné, ale ne dost slušné na otevírání lahví s šampaňským. Hypotézy s tritiem a magnetickým momentem neutrin se pohybují shodně na statistické úrovni 3,2 sigma.

Experiment XENON1T je v této době upgradován na verzi XENONnT, kde bude v „terči“ trojnásobné množství xenonu, a kde by mělo být méně detekčních událostí na pozadí. Až se tenhle připravovaný experiment rozjede, tak by měl vyjasnit, zda šlo o statistický šum, znečištění tritiem anebo novou fyziku, ať už s magnetickým momentem neutrin anebo se solárními axiony.

Video: XENON1T - Enlightening the Dark - Short Version

Literatura

The XENON Experiment 17. 6. 2020.