Największa tajemnica Wszechświata

Posłuchajcie tego, bo naprawdę warto: wszystko, co możecie zobaczyć i dotknąć — telefon, kawa, a nawet wasze własne ciało — stanowi zaledwie jakieś 15 procent całej materii we Wszechświecie. Reszta? Kompletna zagadka. Nigdy tego nie widzieliśmy, nie dotknęliśmy, nie wykryliśmy bezpośrednio. A mimo to wiemy, że to musi istnieć. Bo grawitacja bez tego po prostu by nie działała. Galaktyki rozsypałyby się w pył. Nic z tego, co znamy, by nie istniało.

Naukowcy nazywają tę tajemniczą substancję ciemną materią i od prawie stu lat próbują dociec, z czego jest zrobiona.

No to mamy dla was wieści.

Gdzieś głęboko pod ziemią

Poznajcie LZ. Nie, nie album Led Zeppelin. LZ to skrót od LUX-ZEPLIN, i to jeden z najbardziej fascynujących eksperymentów naukowych, o którym pewnie nigdy nie słyszeliście.

Wyobraźcie sobie taką sytuację: kilometr pod powierzchnią ziemi, w staryej kopalni złota w Dakocie Południowej, naukowcy zbudowali ogromny zbiornik wypełniony dziesięcioma tonami niesamowicie czystego ciekłego ksenonu. Ksenon to ten szlachetny gaz, który świeci na niebiesko, gdy przepuścimy przez niego prąd. Całość jest opakowana w dziesiątki warstw osłon, które chronią całą aparaturę przed promieniowaniem kosmicznym i innymi zakłóceniami.

Po co takie circusy? Bo cząstki ciemnej materii — jeśli w ogóle istnieją — powinny od czasu do czasu zderzać się z atomami ksenonu, tworząc mikroskopijne błyski światła, które superczułe detektory są w stanie wychwycić. Im głębiej, tym lepiej. Im ciszej, tym większe szanse na sukces.

No i właśnie — LZ coś zarejestrowało.

Sygnał, którego nikt nie potrafi wyjaśnić

Naukowcy przeanalizowali dane z 220 dni eksperymentu i znaleźli... jedno zdarzenie. Pojedynczą interakcję, która nie pasuje do żadnego ze znanych nam wzorców zwykłej materii.

Dlaczego to jest istotne? Bo to zdarzenie pojawiło się dokładnie w tym miejscu, gdzie powinny pojawiać się sygnały ciemnej materii. Wszystkie normalne źródła szumu w tle — rozpad promieniotwórczy, promieniowanie kosmiczne i tak dalej — zostały starannie uwzględnione i wykluczone. Zespół spędził miesiące na weryfikacji wyników. Znają swój detektor na wylot. Dla nich jedno niewyjaśnione zdarzenie to już powód do dyskusji.

„Jesteśmy bardzo zaciekawieni tym zdarzeniem w danych" — powiedział Rick Gaitskell, rzecznik projektu LZ i profesor na Uniwersytecie Browna. „Przy jednym tylko zdarzeniu nie chcemy przeskakiwać do wniosków. Nie twierdzimy, że znaleźliśmy ciemną materię. Ale widzimy coś interesującego."

Takie podejście to music. Ostrożny optymizm! Prawdziwy proces naukowy! Niepublikowanie na pohybel! patrzy z dezaprobatą w stronę niektórych innych dziedzin

Co to może być?

Jeśli ten sygnał faktycznie pochodzi od ciemnej materii, to najprawdopodobniej mamy do czynienia z tak zwaną WIMP — Weakly Interacting Massive Particle, czyli słabo oddziałującą masywną cząstką. To właśnie WIMP-y od lat są głównymi kandydatami na ciemną materię. Cząstki, które praktycznie nie wchodzą w interakcje ze zwykłą materią — chyba że przez grawitację i oddziaływanie słabe.

Hipotetyczny WIMP, który mógłby wywołać taki sygnał, byłby co najmniej 200 razy cięższy od protonu. To spora masa jak na fizykę cząstek elementarnych. Co więcej, reprezentowałby on typ interakcji, który wykracza poza najprostsze modele, jakimi naukowcy się zwykle posługują.

Czyli albo właśnie znaleźliśmy ciemną materię, albo odkryliśmy nowy rodzaj zwykłej interakcji cząstek, o której wcześniej nie wiedzieliśmy. Obie opcje są zresztą całkiem ekscytujące.

Dlaczego nie powinniśmy jeszcze skakać z radości

Wiem, wiem — już chcecie aktualizować status na Facebooku o odkryciu ciemnej materii. Stop, stop, stop.

W fizyce cząstek elementarnych potrzebujecie tak zwanego 5-sigma, zanim możecie ogłosić odkrycie. To oznacza mniej niż 0,00003% szans na to, że wynik to po prostu przypadkowy szum. Tymczasem sygnał LZ aktualnie znajduje się na poziomie 2,6 sigma — czyli około 0,5% szans na to, że to zwykły fart.

Intrygujące? Oczywiście. Konkluzywne? Ani trochę.

Pomyślcie o tym tak: szukacie zgubionej soczewki kontaktowej na podłodze w kuchni. Coś błyszczy. To soczewka? Może. To okruch? Też możliwe. To kawałek folijki od wczorajszego opakowania? Równie dobrze. Żeby mieć pewność, musielibyście to podnieść i dokładnie obejrzeć.

Zespół LZ potrzebuje więcej danych. Na szczęście mają już największy na świecie zbiór danych z poszukiwań ciemnej materii i zamierzają kontynuować eksperyment.

Co dalej?

Eksperyment będzie trwał dalej, zbierając dane dzień po dniu. Jeśli ten tajemniczy sygnał będzie się powtarzał — albo jeszcze lepiej, jeśli pojawią się kolejne podobne zdarzenia — poziom istotności będzie rósł w kierunku tej magicznej granicy 5-sigma.

Albo sygnał zniknie i okaże się statystyczną anomalią. To też jest część nauki. Czasem wynik zerowy jest równie ważny.

Tak czy inaczej, jest w tym wszystkim coś pięknego. Jesteśmy kilometr pod ziemią, otoczeni niesamowicie czystym ciekłym ksenonem, szukając niewidzialnych rzeczy, które stanowią większość Wszechświata. Wszechświat jest dziwny, a my mimo to wciąż próbujemy go zrozumieć.

Czy LZ faktycznie zobaczyło ciemną materię? Zobaczymy. Na razie mamy jeden malutki, niewyjaśniony sygnał, który sprawia, że fizycy na całym świecie nie spuszczają wzroku z monitorów.

Zostańcie ciekawi. Wszechświat zawsze ma w zanadrzu coś zaskakującego.