Wetenschappers van de internationale XENON-samenwerking, een internationale experimentele groep, waaronder het Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU), Universiteit van Tokio; het Instituut voor Onderzoek naar Kosmische Stralen (ICRR), Universiteit van Tokio; het Instituut voor Ruimte-Earth Environmental Research (ISEE), Universiteit van Nagoya; het Kobayashi-Maskawa Instituut voor de oorsprong van deeltjes en het heelal (KMI), Universiteit van Nagoya; en de Graduate School of Science, Universiteit van Kobe, hebben vandaag aangekondigd dat gegevens van hun XENON1T, 's werelds meest gevoelige donkere-materie-experiment, laten een verrassende overdaad aan gebeurtenissen zien. De wetenschappers beweren niet dat ze donkere materie hebben gevonden. In plaats daarvan, ze hebben een onverwacht aantal gebeurtenissen waargenomen, waarvan de bron nog niet volledig is begrepen. De signatuur van de overmaat is vergelijkbaar met wat zou kunnen resulteren uit een kleine resterende hoeveelheid tritium (een waterstofatoom met één proton en twee neutronen), maar het kan ook een teken zijn van iets opwindends, zoals het bestaan ​​van een nieuw deeltje dat bekend staat als het zonne-axion of de indicatie van voorheen onbekende eigenschappen van neutrino's.

XENON1T werd diep onder de grond geëxploiteerd bij de INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso in Italië, van 2016 tot 2018. Het was voornamelijk ontworpen om donkere materie te detecteren, die 85% van de materie in het heelal uitmaakt. Tot dusver, wetenschappers hebben alleen indirect bewijs van donkere materie waargenomen, en een definitief directe detectie moet nog plaatsvinden. Zogenaamde WIMP's (Weakly Interacting Massive Particles) behoren tot de theoretisch geprefereerde kandidaten, en XENON1T heeft tot nu toe de beste limiet gesteld aan hun interactiewaarschijnlijkheid over een breed bereik van WIMP-massa's. Naast WIMP donkere materie, XENON1T was ook gevoelig voor verschillende soorten nieuwe deeltjes en interacties die andere open vragen in de natuurkunde zouden kunnen verklaren. Vorig jaar, dezelfde detector gebruiken, deze wetenschappers publiceerden in Natuur de waarneming van het zeldzaamste nucleaire verval ooit direct gemeten.

De XENON1T-detector was gevuld met 3,2 ton ultrazuiver vloeibaar xenon, 2,0 ton daarvan diende als doelwit voor deeltjesinteracties. Wanneer een deeltje het doel passeert, het kan kleine lichtsignalen en vrije elektronen van een xenonatoom genereren. De meeste van deze interacties komen van deeltjes waarvan bekend is dat ze bestaan. Wetenschappers hebben daarom het aantal achtergrondgebeurtenissen in XENON1T zorgvuldig geschat. Toen gegevens van XENON1T werden vergeleken met bekende achtergronden, een verrassende overmaat van 53 gebeurtenissen boven de verwachte 232 gebeurtenissen werd waargenomen.

Dit roept de spannende vraag op:waar komt deze overdaad vandaan?

Een verklaring zou een nieuwe, voorheen ondoordachte bron van achtergrond, veroorzaakt door de aanwezigheid van kleine hoeveelheden tritium in de XENON1T-detector. Tritium, een radioactieve isotoop van waterstof, vervalt spontaan door een elektron uit te zenden met een energie die vergelijkbaar is met wat werd waargenomen. Slechts een paar tritiumatomen voor elke 10 ²⁵ (10, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000!) xenon-atomen nodig zouden zijn om de overmaat te verklaren. Momenteel, er zijn geen onafhankelijke metingen die de aanwezigheid van tritium op dat niveau in de detector kunnen bevestigen of weerleggen, dus een definitief antwoord op deze verklaring is nog niet mogelijk.

spannender, een andere verklaring zou het bestaan ​​van een nieuw deeltje kunnen zijn. In feite, de waargenomen overmaat heeft een energiespectrum dat vergelijkbaar is met het spectrum dat wordt verwacht van axionen die in de zon worden geproduceerd. Axions zijn hypothetische deeltjes die werden voorgesteld om een ​​tijdomkeringssymmetrie van de kernkracht te behouden, en de zon kan er een sterke bron van zijn. Hoewel deze zonne-axionen geen kandidaten voor donkere materie zijn, hun detectie zou de eerste waarneming zijn van een goed gemotiveerde maar nooit waargenomen klasse van nieuwe deeltjes, met een grote impact op ons begrip van fundamentele fysica, maar ook over astrofysische verschijnselen. Bovendien, axionen die in het vroege heelal worden geproduceerd, kunnen ook de bron zijn van donkere materie.

Alternatief, de overmaat kan ook te wijten zijn aan neutrino's, waarvan er triljoenen door je lichaam gaan, ongehinderd, elke seconde. Een verklaring zou kunnen zijn dat het magnetische moment (een eigenschap van alle deeltjes) van neutrino's groter is dan de waarde in het standaardmodel van elementaire deeltjes. Dit zou een sterke hint zijn naar een andere nieuwe fysica die nodig is om het te verklaren.

Van de drie verklaringen die door de XENON-samenwerking worden overwogen, de waargenomen overmaat is het meest consistent met een zonne-axionsignaal. In statistische termen, de zonne-axion-hypothese heeft een significantie van 3,5 sigma, wat betekent dat er ongeveer een 2/10 is, 000 kans dat de waargenomen overschrijding het gevolg is van een willekeurige fluctuatie in plaats van een signaal. Hoewel deze significantie vrij hoog is, het is niet groot genoeg om te concluderen dat axions bestaan. De betekenis van zowel de tritium- als de neutrino-magnetische momenthypothesen komt overeen met 3,2 sigma, wat betekent dat ze ook consistent zijn met de gegevens.

XENON1T is nu aan het upgraden naar zijn volgende fase - XENONnT - met een actieve xenonmassa die drie keer groter is en een achtergrond die naar verwachting lager zal zijn dan die van XENON1T. Met betere gegevens van XENONnT, de XENON-samenwerking heeft er alle vertrouwen in dat ze er snel achter zal komen of deze overdrijving slechts een statistische toevalstreffer is, een achtergrondverontreiniging, of iets veel spannenders:een nieuw deeltje of interactie die verder gaat dan de bekende fysica.