Od března 2023 do dubna 2024 sbírali fyzici data z nejcitlivějšího detektoru na světě. LUX-ZEPLIN (LZ) se nachází téměř 1,5 kilometru pod povrchem v opuštěném zlatém dole v Sanford Underground Research Facility v Jižní Dakotě.

Tak hluboko se vědci uchýlili proto, aby přístroj ochránili před kosmickým zářením, které by jinak rušilo měření. V klidném podzemním prostředí sledují drobné záblesky světla, které by mohly znamenat, že vesmírem právě proletěla částice temné hmoty.

Tým analyzoval 280 dní záznamů, přičemž nová data doplnila ta z prvního měření v roce 2022. Celkově chce experiment běžet do roku 2028, aby sesbíral zhruba 1 000 dnů dat – nejrozsáhlejší pozorování tohoto typu, jaké kdy lidstvo provedlo.

Jak vypadá lovec temné hmoty

V srdci detektoru se nachází dvě titanové nádoby, uvnitř nichž je 10 tun kapalného xenonu. Právě ten hraje hlavní roli. Pokud do atomu xenonu narazí hypotetická částice temné hmoty, tzv. WIMP (Weakly Interacting Massive Particle), způsobí drobný zpětný odraz, který vyvolá záblesk světla a elektronový signál.
Tyto miniaturní projevy zachycují citlivé senzory, které dokážou rozlišit i jediný foton. Vnější část systému - Outer Detector - tvoří nádrž s kapalinou obohacenou gadoliniem. Ta pomáhá odhalit, zda světlo vzniklo skutečně kvůli temné hmotě, nebo kvůli jiným částicím, například neutronům.

Když temnota klame: neutrony a radon

Jedním z největších problémů jsou právě neutrony. Ty mohou reagovat se xenonem naprosto stejně jako částice temné hmoty. Aby vědci tyto falešné signály rozpoznali, sledují, zda se současně rozsvítí i vnější detektor. Pokud ano, znamená to, že šlo o neutron, nikoli o temnou hmotu.

Dalším zákeřným soupeřem je radon, přirozeně radioaktivní plyn, který se do detektoru může dostat i z nejčistších materiálů. Jeho rozpad totiž dokáže napodobit signál po srážce s WIMPem. V nové fázi měření se proto vědci zaměřili i na identifikaci sekvencí rozpadů radonu, aby z analýzy odstranili veškeré falešné stopy.

Obrana proti lidské chybě

Aby se předešlo nevědomému zkreslení výsledků, aplikoval tým tzv. salting - záměrně vložil do dat několik falešných signálů, které vypadají jako potenciální WIMPy.
Teprve po dokončení všech analýz proběhlo tzv. „odsolení“, tedy odhalení, které signály byly skutečné. Tento postup umožňuje udržet nestrannost a zabránit tomu, aby výzkumníci nevědomky hledali vzory tam, kde žádné nejsou.

Jak řekl fyzik Scott Haselschwardt z Michiganské univerzity: „V oblasti, kde se nikdy nikdo nedíval, musíme být dvojnásobně opatrní. Pokud bychom skutečně objevili novou částici, musíme si být naprosto jistí.“

Zdroj: Shutterstock

Hranice se zužují, naděje roste

Z analýzy LZ vyplynulo, že pokud WIMPy existují, mají nejspíš ještě menší hmotnost nebo slabší interakce, než se dosud myslelo. Experiment tak posunul limity citlivosti hlouběji než jakýkoli jiný před ním a tím pomohl vyloučit řadu teoretických modelů.
Každý takový krok - i když nevede k přímému objevu - pomáhá zúžit mapu neznámého a ušetřit tisíce hodin práce dalším týmům po světě.

Podle výzkumnice Chami Amarasinghe z University of California, Santa Barbara, ale LZ přináší víc než jen data o temné hmotě: „Naše zařízení je natolik citlivé, že dokáže zachytit i vzácné jevy spojené se slunečními neutrinami nebo radioaktivními rozpady xenonu. Je to okno nejen do temnoty, ale i do samotného srdce hvězd.“