Neutrinowa mgła komplikuje poszukiwania ciemnej materii

Naukowcy odkryli nową przeszkodę w poszukiwaniu ciemnej materii. Co kryje się za tajemniczą neutrinową mgłą?

Zespoły naukowców z dwóch prestiżowych laboratoriów podziemnych - chińskiego China Jinping Underground Laboratory oraz włoskiego Gran Sasso National Laboratory - dokonały intrygującego odkrycia, które może znacząco wpłynąć na poszukiwania ciemnej materii. Zarejestrowali oni obecność tak zwanej "mgły neutrinowej", zjawiska, które może poważnie skomplikować badania nad jedną z największych zagadek współczesnej fizyki.

Odkrycie to nastąpiło podczas badań prowadzonych w ultraczułych detektorach umieszczonych głęboko pod ziemią - na głębokości sięgającej nawet 2400 metrów. Naukowcy zaobserwowali interakcje neutrin słonecznych z jądrami ksenonu, co stanowi zarówno fascynujące osiągnięcie naukowe, jak i potencjalną komplikację w poszukiwaniach ciemnej materii.

Neutrina słoneczne, te niezwykle ulotne cząstki subatomowe, powstają w reakcjach zachodzących w Słońcu i bez przeszkód przenikają przez materię. Ich energia, sięgająca 18 megaelektronowoltów (MeV), pozwala im na swobodne przemieszczanie się przez skorupę ziemską i docieranie do najgłębiej położonych detektorów. To właśnie ta zdolność do penetracji stanowi zarówno błogosławieństwo, jak i przekleństwo dla naukowców.

W eksperymencie XENONnT udało się zarejestrować 11 interakcji neutrin z jądrami ksenonu, podczas gdy detektor PandaX-4T odnotował aż 75 takich zdarzeń. Ta różnica wynika głównie z niższej energii progowej i większej głębokości chińskiego detektora. Obserwacje te potwierdzają przewidywania teoretyczne Modelu Standardowego, wskazując na strumień około 50 miliardów neutrin na metr kwadratowy na sekundę.

Image

Problem polega na tym, że te same detektory, które naukowcy wykorzystują do poszukiwania hipotetycznych cząstek ciemnej materii (WIMP - Weakly Interacting Massive Particles), rejestrują również neutrina słoneczne. Ta "mgła neutrinowa" może maskować potencjalne sygnały pochodzące od ciemnej materii, utrudniając jej wykrycie i identyfikację.

Jest to szczególnie problematyczne, ponieważ zarówno neutrina, jak i hipotetyczne cząstki ciemnej materii charakteryzują się niezwykle słabymi oddziaływaniami z materią. Naukowcy umieszczają swoje detektory głęboko pod ziemią właśnie po to, by odciąć się od większości promieniowania kosmicznego i innych zakłóceń, ale neutrina słoneczne potrafią dotrzeć nawet tam.

Odkrycie to, choć komplikuje poszukiwania ciemnej materii, stanowi jednocześnie imponujące potwierdzenie możliwości naszych technologii detekcyjnych. Zarejestrowanie tak subtelnych interakcji świadczy o niezwykłej czułości współczesnych detektorów i otwiera nowe możliwości badawcze w fizyce cząstek elementarnych.

Naukowcy już planują kolejne kroki. Zamierzają udoskonalić swoje detektory i metody analizy danych, aby lepiej odróżniać sygnały pochodzące od neutrin słonecznych od potencjalnych sygnałów ciemnej materii. Choć poziom istotności statystycznej obecnych obserwacji nie osiągnął jeszcze magicznej granicy 5 sigma (oznaczającej pełne potwierdzenie naukowe), wyniki są niezwykle obiecujące.