Οι θεωρητικοί φυσικοί πετούν την μπάλα στο γήπεδο των πειραματικών

Posted on 14/10/2020

0


… σχετικά με το πιθανό σήμα σκοτεινής ύλης στο πείραμα XENON1T

Ένα σήμα στον ανιχνευτή XENON1T – (πιθανόν) από σωματιδίο σκοτεινής ύλης – έχει προκαλέσει τους θεωρητικούς φυσικούς να αναζητήσουν ερμηνείες του σήματος πέρα από την γνωστή μας φυσική.

Στις 16 Ιουνίου 2020 το πείραμα XENON1T, που χρησιμοποιεί έναν από τους πιο ευαίσθητους ανιχνευτές σκοτεινής ύλης, ανέφερε ένα σήμα ανεξήγητο σύμφωνα με την γνωστή θεωρία της φυσικής [διαβάστε σχετικά: «Πείραμα που ψάχνει για σκοτεινή ύλη ανίχνευσε ανεξήγητο σήμα«].

Η στατιστική του σήματος δεν έφτασε ακόμα τα «5 σίγμα» που αποτελούν το όριο για να επισημοποιηθεί μια ανακάλυψη. Παρόλα αυτά οι θεωρητικοί φυσικοί εξέτασαν τις περιπτώσεις που στο ανεξήγητο αυτό σήμα θα μπορούσαν να εμπλέκονται εξωτικά σωματίδια.

Έτσι, το περιοδικό Physical Review Letters δημοσίευσε τις παρακάτω πέντε εργασίες που επιχειρούν να ερμηνεύσουν το πιθανό σήμα σκοτεινής ύλης σύμφωνα με νέες θεωρίες πέραν της καθιερωμένης φυσικής:

  1. F. Takahashi et al., “XENON1T excess from anomaly-free axionlike dark matter and its implications for stellar cooling anomaly,” Phys. Rev. Lett. 125, 161801 (2020).
  2. J. Bramante and N. Song, “Electric but not eclectic: Thermal relic dark matter for the XENON1T excess,” Phys. Rev. Lett. 125, 161805 (2020).
  3. N. F. Bell et al., “Explaining the XENON1T excess with luminous dark matter,” Phys. Rev. Lett. 125, 161803 (2020).
  4. B. Fornal et al., “Boosted dark matter interpretation of the XENON1T excess,” Phys. Rev. Lett. 125, 161804 (2020).
  5. A. Bally et al., “Neutrino self-interactions and XENON1T electron recoil excess,” Phys. Rev. Lett. 125, 161802 (2020).

Όλα τα σενάρια που αναφέρονται στις εν λόγω εργασίες εξηγούν τις δυο πτυχές του σήματος που δημιουργήθηκε στην τεράστια δεξαμενή του ανιχνευτή XENON1T που περιέχει καθαρό Ξένον. Πρώτον, το σήμα μοιάζει να προέρχεται από σωματίδια που συγκρούστηκαν κυρίως με τα ηλεκτρόνια των ατόμων του Ξένου. Και δεύτερον, κάθε μια από αυτές τις αλληλεπιδράσεις μετέφερε στο άτομο ενέργεια μερικών keV.

Οι δύο από τις νέες ερμηνείες περιλαμβάνουν κάποιους από τους συνήθεις υπόπτους της σκοτεινής ύλης.  Ο Fuminobu Takahashi του Πανεπιστημίου Tohoku της Ιαπωνίας και οι συνεργάτες του επικεντρώνονται στα ελαφρά σωματίδια που ονομάζονται αξιόνια. Ένα πρόβλημα των μοντέλων που περιλαμβάνουν αξιόνια είναι ότι υποθέτουν μια σύζευξη μεταξύ των αξιονίων και των γνωστών μας φωτονίων που έρχεται σε αντίθεση με τις αστροφυσικές παρατηρήσεις. Οι ερευνητές δείχνουν ότι αυτή η διαφωνία μπορεί να επιλυθεί – και το σήμα του XENON1T να εξηγηθεί – αν τα αξιόνια είναι λιγότερο πιθανό να αλληλεπιδρούν με τα φωτόνια απ’ ότι προβλέπουν τα περισσότερα μοντέλα αξιονίων.

Ο Joseph Bramante και ο Ningqiang Song από το Queen’s University του Καναδά, εξετάζουν το σενάριο που περιλαμβάνει ως σωματίδια σκοτεινής ύλης τα WIMPs (Ασθενώς Αλληλεπιδρώντα Σωματίδια με Μάζα). Στο μοντέλο τους ένα σωματίδιο τύπου WIMP σκεδάζεται προς ένα παρόμοιο σωματίδιο, μεταφέροντας την διαφορά μάζας τους ως ενέργεια ανάκρουσης στα ηλεκτρόνια του Ξένου. Το σενάριό τους είναι ελκυστικό διότι είναι συμβατό με τους περιορισμούς στην σκοτεινή ύλη που θέτουν οι αστροφυσικές παρατηρήσεις.

Δυο άλλες ιδέες μοιράζονται ένα ιδιαίτερο χαρακτηριστικό που θα μπορούσε να εντοπίσει ο ανιχνευτής XENON1T – μια ημερήσια διαμόρφωση του σήματος. Η Nicole Bell του Πανεπιστημίου της Μελβούρνης της Αυστραλίας και οι συνεργάτες της θεωρούν «φωτεινά» σωματίδια σκοτεινής ύλης τα οποία καταλαμβάνουν μια «βαριά» κατάσταση και μια κατάσταση «φωτός» που απέχουν μεταξύ τους περίπου 3 keV. Δείχνουν ότι ένα σωματίδιο στην κατάσταση-φωτός που συγκρούεται με έναν πυρήνα Ξένου μπορεί να μεταπίπτει στο ομόλογό του που βρίσκεται στην «βαριά» κατάσταση, εκπέμποντας φωτόνιο 3 keV, του οποίου η ενέργεια θα μεταφερθεί σε ένα ηλεκτρόνιο.

Αντίθετα, ο Bartosz Fornal του Πανεπιστημίου της Utah στο Salt Lake City και οι συνεργάτες του διερευνούν την επονομαζόμενη “boosted” σκοτεινή ύλη. Εδώ, οι διαδικασίες εξαΰλωσης της σκοτεινής ύλης στον Ήλιο ή στο Γαλαξιακό Κέντρο θα έδιναν «ψυχρή» σκοτεινή ύλη, η οποία συνήθως κινείται αργά με αρκετή ενέργεια για να παράγει το παρατηρούμενο σήμα των μερικών keV.

Tέλος, ο Andreas Bally από το Ινστιτούτο Πυρηνικής Φυσικής Max Planck και οι συνεργάτες του εξετάζουν την πιθανότητα να υπεισέρχονται μη τυπικά νετρίνα. Στο μοντέλο τους, τα νετρίνα προέρχονται από τον Ήλιο και συγκρούονται με ηλεκτρόνια στον ανιχνευτή XENON1T. Αυτές οι συγκρούσεις θα μπορούσαν να παράγουν το παρατηρούμενο σήμα αν μερικά από αυτά τα νετρίνα σκεδάζονται προς μη τυπικα νετρίνα- «κρυφά» νετρίνα που είναι αόρατα στους ανιχνευτές. Η ερμηνεία τους σχετίζεται με μοντέλα φυσικής πέραν του καθιερωμένου προτύπου που θα μπορούσαν να επιβεβαιωθούν στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων και σε μελλοντικούς επιταχυντές.

Έτσι, η μπάλα βρίσκεται τώρα στο τεράστιο γήπεδο των πειραματικών φυσικών, στον ανιχνευτή XENON1T, αναμένοντας τα νέα δεδομένα με καλύτερη στατιστική…

πηγή: https://physics.aps.org/articles/v13/s132

Ετικέτα: