Većina materije u svemiru još uvijek je neotkrivena…

Prema procjenama znanstvenika, oko 85% materije u kozmosu čini nevidljiva tamna tvar, koja se može otkriti jedino putem njezinih gravitacijskih učinaka na okolinu.

Tim od oko 250 znanstvenika iz cijelog svijeta radi na eksperimentu tamne materije pod nazivom LUX-ZEPLIN (LZ). Nedavno su znanstvenici predstavili najnovije rezultate dugogodišnje potrage za razotkrivanjem prirode tamne materije. Iako još uvijek nisu otkrili čestice za koje vjeruju da čine tamnu tvar, postavili su najstrože granice na njihove karakteristike do sada.

Nova istraživanja također potvrđuju da detektor radi prema očekivanjima, što znači da bi budući rezultati mogli biti još precizniji. Ovi su rezultati predstavljeni na konferencijama TeV Particle Astrophysics 2024 u Chicagu i LIDINE 2024 u São Paulu, Brazil.

Što je tamna tvar?

Kada astronomi promatraju svemir, nailaze na dokaze da vidljiva materija – zvijezde, plinovi i galaksije – nije sve što postoji. Mnoge pojave, poput brzine rotacije galaksija i rasporeda ostataka svjetlosti Velikog praska, mogu se objasniti samo prisutnošću velike količine nevidljive tvari poznate kao tamna tvar. No, što točno čini tamnu tvar?

Trenutno ne poznajemo niti jednu vrstu čestice koja bi mogla objasniti ova astronomska opažanja. Različite teorije pokušavaju objasniti tamnu tvar, od egzotičnih, nepoznatih čestica do sićušnih crnih rupa ili temeljnih promjena u našoj teoriji gravitacije. Međutim, nijedna od tih teorija još nije dokazana.

Jedna od vodećih teorija predlaže da je tamna tvar sastavljena od tzv. “slabo interagirajućih masivnih čestica” (WIMP čestice). Ove čestice mogle bi uzrokovati promatrane gravitacijske efekte i vrlo rijetko interagirati s običnom materijom.

Kako možemo znati je li ova teorija točna? Znanstvenici smatraju da te čestice neprestano prolaze kroz Zemlju. U većini slučajeva prolaze bez interakcije ali povremeno bi neki WIMP mogao izravno udariti u jezgru atoma a upravo te sudare znanstvenici pokušavaju detektirati.

Kako funkcionira eksperiment LUX-ZEPLIN?

Eksperiment LZ smješten je u bivšem rudniku zlata, na dubini od 1500 metara ispod zemlje u Južnoj Dakoti, u SAD-u. Ova dubina smanjuje utjecaj pozadinskog zračenja na minimum. Eksperiment se sastoji od velikog dvostruko oklopljenog spremnika ispunjenog sa sedam tona tekućeg ksenona, plemenitog plina ohlađenog na -98°C.

Ako čestica tamne tvari udari u jezgru ksenona, trebala bi emitirati slabi bljesak svjetlosti. Ovaj detektor opremljen je s 494 senzora svjetlosti za bilježenje tih bljeskova. Međutim, tamna tvar nije jedini izvor tih bljeskova. Još uvijek postoji određena razina pozadinskog zračenja iz okoline i materijala od kojih su izgrađeni spremnici i detektori.

Jedan od ključnih izazova u eksperimentu je razlikovanje ovih pozadinskih signala od mogućih signala tamne tvari. Kako bi to postigli, znanstvenici izrađuju detaljne simulacije rezultata koje bi očekivali s i bez prisutnosti tamne tvari.

Što pokazuju najnoviji rezultati?

Najnoviji rezultati nisu otkrili tragove tamne materije. Ipak, znanstvenici su uspjeli isključiti mnoge mogućnosti.

Nisu pronašli čestice s masom većom od 1,6 × 10–26 kilograma, što je otprilike 10 puta teže od protona. Ovi rezultati temelje se na 280 dana promatranja detektora.

Na kraju, znanstvenici planiraju prikupiti podatke za ukupno 1000 dana, što će im omogućiti potragu za još neuhvatljivijim česticama tamne materije.

Ako budu imali sreće, tamna tvar mogla bi se pojaviti u novim podacima. U suprotnom, već su počeli planirati sljedeću generaciju eksperimenta za istraživanje tamne materije.

Konzorcij XLZD (XENON-LUX-ZEPLIN-DARWIN) planira izgraditi detektor gotovo 10 puta veći, što bi omogućilo još detaljniju pretragu prostora u kojem se te sveprisutne ali neuhvatljive čestice možda skrivaju.

Kosmos