จากข้อมูลของ LUX-ZEPLIN พบคลื่นกระแทกผิดปกติที่ 248 keV: แม้ว่าจะผ่านการทดสอบสัญญาณรบกวนพื้นหลังแล้ว แต่ก็ยังไม่เพียงพอที่จะถือเป็นการค้นพบใหม่

จากการสังเกตการณ์ตลอด 220 วัน พบการชนเพียงครั้งเดียวเท่านั้นที่เกิดขึ้นในบริเวณของเครื่องตรวจจับซึ่งมีสัญญาณรบกวนพื้นหลังต่ำมาก เหตุการณ์ดังกล่าวปล่อยพลังงานออกมา 248 กิโลอิเล็กตรอนโวลต์ และสอดคล้องกับการดีดตัวออกของนิวเคลียสอะตอมซีนอน มันอาจเกิดจากอนุภาคสสารมืดก็ได้ แต่ข้อมูลที่มีอยู่ยังไม่เพียงพอที่จะยืนยันเรื่องนี้ได้

สัญญาณมาจาก ลักซ์-เซพลินหรือ LZ ซึ่งเป็นหนึ่งในเครื่องมือที่มีความไวสูงที่สุดที่สร้างขึ้นเพื่อค้นหาปฏิสัมพันธ์ระหว่างสสารธรรมดาและสสารสมมุติ อนุภาคขนาดใหญ่ที่มีปฏิสัมพันธ์อย่างอ่อนอนุภาคขนาดใหญ่ที่มีปฏิสัมพันธ์อย่างอ่อน หรือที่รู้จักกันในชื่อ WIMP เครื่องตรวจจับทำงานอยู่ที่ระดับความลึกเกือบหนึ่งไมล์ใต้พื้นผิวโลก ศูนย์วิจัยใต้ดินแซนฟอร์ด จากเมืองลีด รัฐเซาท์ดาโคตา

La LZ Collaboration ได้เผยแพร่ผลลัพธ์ในรูปแบบเอกสารฉบับร่างก่อนตีพิมพ์แล้วดังนั้นก่อนการตรวจสอบโดยผู้ทรงคุณวุฒิ หลังจากขยายการวิเคราะห์ไปยังแรงสะท้อนนิวเคลียร์ที่มีพลังงานสูงกว่าการวิจัยแบบดั้งเดิมมาก ความสำคัญทางสถิติถึงค่าสูงสุดเฉพาะที่ 3,4 ซิกแต่สุดท้ายแล้วมันก็ลงไปถึง... 2,6 ซิกมาในระดับโลก เมื่อพิจารณาจากจำนวนแบบจำลองที่ทดสอบแล้ว นี่เป็นความผิดปกติที่ควรค่าแก่การให้ความสนใจ ไม่ใช่การประกาศการสังเกตการณ์โดยตรงครั้งแรกของสสารมืด

ซีนอนเจ็ดตันเปลี่ยนแรงกระแทกให้กลายเป็นแสง

หลักฐานทางดาราศาสตร์บ่งชี้ว่าสสารมืดประกอบขึ้นเป็นประมาณ 85 เปอร์เซ็นต์ของสสารในจักรวาลการมีอยู่ของมันถูกอนุมานจากผลกระทบทางแรงโน้มถ่วงที่มันมีต่อกาแล็กซี กระจุกกาแล็กซี และแสงที่ผ่านโครงสร้างขนาดใหญ่ในอวกาศ เนื่องจากมันไม่ปล่อยหรือดูดซับรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าในลักษณะที่สังเกตได้ สารนี้จึงมองไม่เห็นด้วยกล้องโทรทรรศน์ และองค์ประกอบในระดับจุลภาคของมันยังไม่เป็นที่ทราบแน่ชัด

LZ พยายามทำการวัดโดยตรง ที่จุดศูนย์กลางของอุปกรณ์คือ ห้องฉายภาพเวลาแบบสองเฟส ประกอบด้วยซีนอนเหลวที่มีสภาพใช้งานได้ประมาณเจ็ดตัน ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของปริมาณทั้งหมดเกือบสิบตัน ซีนอนมีนิวเคลียสหนักและเป็นตัวกลางที่บริสุทธิ์มาก ซึ่งสามารถนำพลังงานที่มีอยู่เพียงเล็กน้อยมาสร้างใหม่ได้

เมื่ออนุภาคทำปฏิกิริยากับของเหลว มันจะสร้างพัลส์การเรืองแสงเริ่มต้นที่เรียกว่า S1และปล่อยอิเล็กตรอนออกมา สนามไฟฟ้าจะผลักอิเล็กตรอนเหล่านั้นไปทางด้านบนของห้อง ซึ่งอิเล็กตรอนจะถูกดึงเข้าไปในชั้นของก๊าซซีนอนและสร้างสัญญาณแสงที่สองขึ้นมา S2ความเข้มสัมพัทธ์ของพัลส์ทั้งสอง ช่วงเวลาระหว่างพัลส์ และการกระจายตัวของแสง ช่วยให้เราสามารถประมาณพลังงานและตำแหน่งสามมิติของการปฏิสัมพันธ์ได้

ข้อมูลนี้ยังช่วยแยกแยะปรากฏการณ์ออกเป็นสองกลุ่มได้อีกด้วย อนุภาคแกมมาและเบตามักจะทำปฏิกิริยากับอิเล็กตรอนของซีนอน ทำให้เกิดอนุภาคขึ้น แรงสะท้อนกลับทางอิเล็กทรอนิกส์นิวตรอนหรืออนุภาค WIMP อาจพุ่งชนนิวเคลียสโดยตรง ทำให้เกิดปฏิกิริยาต่างๆ แรงสะท้อนกลับของนิวเคลียร์การแยกทางสถิติมีประสิทธิภาพมาก แต่ไม่ใช่สมบูรณ์แบบ: เหตุการณ์ที่เกิดขึ้นไม่บ่อย ความบังเอิญแบบสุ่ม และการตอบสนองของอุปกรณ์ที่ไม่เป็นไปตามมาตรฐาน อาจเลียนแบบสัญญาณที่ต้องการได้

เครื่องตรวจจับตั้งอยู่ลึกใต้ดินเพื่อลดปริมาณรังสีคอสมิก และได้รับการปกป้องด้วยถังเก็บน้ำและระบบภายนอกที่สามารถระบุอนุภาคนิวตรอนและอนุภาคอื่นๆ ได้ ดังนั้น การค้นหาสสารมืดจึงไม่ได้ขึ้นอยู่กับมวลของเป้าหมายเพียงอย่างเดียว แต่ยังขึ้นอยู่กับความสามารถในการระบุและกำจัดแหล่งกำเนิดพื้นหลังที่เป็นไปได้เกือบทั้งหมดด้วย

ช่วงพลังงานเพิ่มขึ้นจาก 55 เป็นประมาณ 270 keV

การวิเคราะห์นี้ใช้ข้อมูลที่รวบรวมระหว่าง วันที่ 27 มีนาคม 2566 และ 1 เมษายน 2567เพื่อการเปิดรับแสงโดยรวม 2,84 ตันต่อปีตัวอย่างเดียวกันนี้เคยได้รับการศึกษามาแล้วในการค้นหาปฏิสัมพันธ์ WIMP ที่ง่ายที่สุด โดยส่วนใหญ่เน้นที่พลังงานต่ำ งานวิจัยใหม่นี้ได้ขยายขอบเขตของการกระดอนของนิวเคลียสจาก 5,4 จนถึงประมาณ 270 keVซึ่งสูงกว่าขีดจำกัดเดิมที่ประมาณ 55 keV

ทางเลือกนี้ทำให้เราสามารถสำรวจแบบจำลองที่การกระจายพลังงานที่คาดหวังไม่ลดลงอย่างรวดเร็วเท่ากับในปฏิสัมพันธ์ยืดหยุ่นแบบไม่ขึ้นกับสปินแบบดั้งเดิม คณะทำงานได้พิจารณาตัวดำเนินการของ ทฤษฎีสนามประสิทธิผลแบบไม่สัมพัทธภาพเครื่องมือทางคณิตศาสตร์ที่อธิบายวิธีการต่างๆ ที่อนุภาค WIMP อาจรวมตัวกับโปรตอนและนิวตรอน

สถานการณ์ต่างๆ ก็ได้รับการตรวจสอบเช่นกัน สสารมืดที่ไม่ยืดหยุ่นในแบบจำลองดังกล่าว อนุภาคจะเปลี่ยนสถานะระหว่างการชน และพลังงานบางส่วนจะถูกใช้เพื่อสร้างอนุภาคที่มีมวลมากกว่าเดิมเล็กน้อย เพื่อให้กระบวนการนี้เกิดขึ้นได้ อนุภาค WIMP จำเป็นต้องมีความเร็วและมวลมากพอ แรงกระแทกที่เกิดขึ้นจึงสามารถครอบคลุมช่วงพลังงานที่การวิเคราะห์แบบมาตรฐานมองข้ามไปได้

เหตุการณ์ผิดปกติดังกล่าวได้รับการสร้างขึ้นใหม่ ณ 248 กิโลโวลต์โดยมีความคลาดเคลื่อนทางสถิติ 23 keV และความคลาดเคลื่อนเชิงระบบที่มีขนาดเท่ากัน รูปร่างของมันดูสอดคล้องกับการกระเด็นของนิวเคลียร์เพียงครั้งเดียว ในขณะที่ตำแหน่งของมันอยู่ในปริมาตรภายในที่เลือกไว้เพื่อจำกัดการปนเปื้อนจากผนังและส่วนประกอบอื่นๆ

หากการชนกันเกิดจากสสารมืด การตีความที่พิจารณาโดยทั่วไปจะต้องการ WIMP ที่มีมวลมาก โดยมีมวลอย่างน้อย 200 GeV/c²ซึ่งมากกว่าโปรตอนถึงสองร้อยเท่า ยิ่งไปกว่านั้น มันไม่ใช่ปฏิสัมพันธ์พื้นฐานที่ถูกค้นหาบ่อยที่สุด แต่เป็นการเชื่อมโยงที่ขึ้นอยู่กับโมเมนตัม สปิน หรือการเปลี่ยนผ่านแบบไม่ยืดหยุ่น ดังนั้น สัญญาณนี้จึงไม่ได้ระบุอนุภาคเฉพาะเจาะจง: มันเข้ากันได้กับโครงสร้างทางทฤษฎีหลายอย่างที่ได้รับการวิเคราะห์

จากค่าสูงสุดเฉพาะที่ไปจนถึงค่าโดยรวมประมาณ 2,6 ซิกมา

สำหรับแบบจำลองบางแบบ ความไม่สอดคล้องกันระหว่างเหตุการณ์ที่สังเกตได้กับสมมติฐานที่ว่ามีเพียงพื้นหลังเท่านั้น จะเกิดขึ้นในระดับท้องถิ่น 3,4 ซิกหากพิจารณาค่าดังกล่าวเพียงลำพัง จะพบว่ามีโอกาสน้อยมากที่จะได้ผลลัพธ์ที่รุนแรงอย่างน้อยที่สุดจากการผันผวน แต่การทดลองนี้ไม่ได้ตรวจสอบการคาดการณ์ที่กำหนดไว้ล่วงหน้าเพียงอย่างเดียว: มันได้สำรวจการผสมผสานของตัวดำเนินการ มวล และการแยกพลังงานจำนวนมาก

ยิ่งมีการตรวจสอบสมมติฐานมากเท่าไร โอกาสที่อย่างน้อยหนึ่งสมมติฐานจะสร้างความแตกต่างที่น่าสนใจโดยบังเอิญก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น นี่คือสิ่งที่เรียกว่า ผลกระทบจากการมองไปทางอื่นการทำงานร่วมกันนี้ได้ทำการวัดปริมาณโดยการสร้างตัวอย่างจำลองด้วยเทคนิค Monte Carlo และทำการวิจัยซ้ำทั้งหมดเสมือนจริง หลังจากแก้ไขแล้ว พบว่าความสำคัญโดยรวมเท่ากับ 2,6 ซิกซึ่งเกี่ยวข้องกับค่า p-value ประมาณ 0,5 เปอร์เซ็นต์

นี่ไม่ได้หมายความว่ามีความน่าจะเป็น 99,5 เปอร์เซ็นต์ที่เหตุการณ์นั้นจะเป็นสสารมืด ค่า p-value วัดว่าความผิดปกติที่จะสังเกตเห็นความคลาดเคลื่อนดังกล่าวโดยสมมติว่าแบบจำลองพื้นฐานถูกต้องนั้นมากน้อยเพียงใด มันไม่ได้กำหนดความน่าจะเป็นให้กับสาเหตุทางกายภาพต่างๆ โดยตรง เกณฑ์มาตรฐานสำหรับการอ้างว่าค้นพบในฟิสิกส์อนุภาคคือ ไฟว์ซิกมาเข้มงวดกว่ามาก

ข้อควรระวังนี้ยิ่งเด่นชัดขึ้น เนื่องจากส่วนเกินทั้งหมดขึ้นอยู่กับ... เหตุการณ์เดียวปฏิสัมพันธ์อื่นที่มีลักษณะคล้ายคลึงกันจะเพิ่มความน่าสนใจ แต่ความสำคัญจะไม่เพิ่มขึ้นโดยอัตโนมัติ ปัจจัยที่กำหนดได้แก่ พลังงาน ตำแหน่งในตัวตรวจจับ ความเข้ากันได้กับสเปกตรัมทางทฤษฎีเดียวกัน และวิวัฒนาการของพื้นหลังที่คาดการณ์ไว้กับการรับแสงใหม่

ริค เกตสเคลล์, อาจารย์ที่ มหาวิทยาลัยบราวน์ และโฆษกของ LZ ได้ปฏิเสธการตีความก่อนกำหนดในบันทึกที่เผยแพร่โดย มหาวิทยาลัยเชฟฟิลด์:.

"เราไม่ต้องการด่วนสรุปจากเหตุการณ์เพียงครั้งเดียว เราไม่ได้อ้างว่าได้ค้นพบสสารมืด แต่เราได้เห็นบางสิ่งที่น่าสนใจและต้องการแบ่งปันกับชุมชนวิทยาศาสตร์เพื่อรับฟังความคิดเห็นของพวกเขา"

การตรวจสอบบริเวณด้านล่างยังไม่พบสาเหตุ

ทีมงานได้ใช้เวลาหลายเดือนในการทดสอบคำอธิบายที่พบได้ทั่วไปมากขึ้น แบบจำลองนี้รวมถึงการสลายตัวของเบต้าภายใน นิวตริโน ไอโซโทปของซีนอน ร่องรอยของทริเทียมและคาร์บอน-14 นิวตรอนจากกัมมันตรังสีและจากรังสีคอสมิก ความบังเอิญที่เกิดขึ้นระหว่างสัญญาณ S1 และ S2 และการกำหนดค่าที่การกระพริบหลายครั้งสามารถเชื่อมโยงกับการแตกตัวเป็นไอออนเพียงครั้งเดียวได้

เหตุการณ์ที่เกิดขึ้นใกล้พื้นผิว ปฏิสัมพันธ์หลายครั้งที่ถูกสร้างขึ้นใหม่โดยผิดพลาดว่าเป็นเพียงครั้งเดียว และผลกระทบจากรูปคลื่นที่เป็นไปได้ ก็ได้รับการประเมินด้วยเช่นกัน คลื่นกระแทกพลังงาน 248 keV ผ่านการคัดเลือกที่ใช้ และไม่มีสัญญาณใด ๆ ในระบบการยับยั้งที่บ่งชี้ว่านิวตรอนได้ผ่านไป สิ่งนี้ช่วยลดคำอธิบายที่ทราบบางส่วนลง โดยไม่ได้แสดงให้เห็นว่ากระบวนการที่หายากหรือข้อบกพร่องในการสร้างแบบจำลองใด ๆ สามารถสร้างมันขึ้นมาได้

แอรอน มานาเลย์เซย์ลอว์เรนซ์ นักฟิสิกส์ ห้องปฏิบัติการแห่งชาติเบิร์กลีย์ และประธานคณะกรรมการบริหารสถาบัน LZ กล่าวว่า เหตุการณ์ผิดปกติไม่ใช่เรื่องที่ไม่คาดคิด แต่โดยปกติแล้วจะเปิดเผยที่มาของเหตุการณ์นั้นได้หลังจากตรวจสอบอย่างละเอียดถี่ถ้วนแล้ว

"นี่เป็นตัวอย่างแรกในบรรดาการทดลองทั้งหมดที่ผมเคยทำมา ของเหตุการณ์ผิดปกติที่ดูเหมือนจะถูกต้องในทุกแง่มุม เรายังคงพยายามทำความเข้าใจว่าเราอาจพลาดกลไกพื้นฐานที่หายากไปหรือไม่ แต่ก็น่าตื่นเต้นที่จะสงสัยว่านี่อาจเป็นเบาะแสแรกของการสังเกตพบสสารมืดหรือไม่"

สถานการณ์นี้แสดงให้เห็นถึงข้อจำกัดเชิงโครงสร้างของการทดลองที่มีจำนวนครั้งน้อยมาก เมื่อคาดว่าปรากฏการณ์ที่ต้องการจะเกิดขึ้นเพียงไม่กี่ครั้งในรอบหลายปีของการดำเนินงาน ทุกปฏิสัมพันธ์ล้วนมีน้ำหนักทางวิทยาศาสตร์ในขณะเดียวกัน ประชากรที่มีองค์ประกอบเพียงชนิดเดียวไม่เอื้ออำนวยให้เราสามารถสร้างสเปกตรัมขึ้นใหม่ ตรวจสอบการกระจายตัวตามเวลา หรือเปรียบเทียบเหตุการณ์หลายเหตุการณ์เข้าด้วยกันได้

เหตุการณ์เพียงครั้งเดียวไม่เพียงพอที่จะสร้างสัญญาณทางกายภาพขึ้นมาใหม่ได้

แซม เอริกเซนนักวิจัยอาวุโสที่มหาวิทยาลัย ดิ บริสตอล และผู้เขียนหลักของการศึกษาอธิบายว่า การวิเคราะห์นี้ได้สำรวจพื้นที่ที่ไม่เคยมีการตรวจสอบมาก่อนภายในกลุ่มตัวอย่างข้อมูลเดียวกัน ทีมงานใช้เวลาเพิ่มเติมอีกหลายเดือนในการสร้างสาเหตุที่ทราบทั้งหมดที่สามารถก่อให้เกิดเหตุการณ์พื้นฐานได้

“เรารู้จักเครื่องตรวจจับและส่วนประกอบต่างๆ ของมันเป็นอย่างดี จนกระทั่งเหตุการณ์ที่ไม่สามารถอธิบายได้เพียงครั้งเดียว เช่นเหตุการณ์ที่เราค้นพบนั้น มีความสำคัญ เราคาดว่าปฏิกิริยาของสสารมืดจะเกิดขึ้นได้ยากมาก ดังนั้นแม้เพียงไม่กี่เหตุการณ์ก็อาจเป็นการตรวจพบสสารมืด WIMP เป็นครั้งแรก”

การตรวจสอบยืนยันอิสระอาจมาจากเครื่องตรวจจับซีนอนอื่นๆ รวมถึง ซีนอนเอ็นที ที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติแกรนซัสโซ อย่างไรก็ตาม ความสามารถในการเปรียบเทียบจะขึ้นอยู่กับขนาดของช่วงพลังงาน เกณฑ์ การสัมผัส และแบบจำลองที่วิเคราะห์ การสังเกตเหตุการณ์ที่คล้ายกันโดยอุปกรณ์อื่นจะเป็นประโยชน์อย่างยิ่ง เพราะจะช่วยลดโอกาสที่จุด LZ จะมีต้นกำเนิดมาจากอุปกรณ์เฉพาะ

แดน โทวีย์ศาสตราจารย์และหัวหน้ากลุ่ม LZ ของมหาวิทยาลัยเชฟฟิลด์โดยเน้นย้ำว่าสัญญาณดังกล่าวผ่านการทดสอบทั้งหมดที่ดำเนินการเพื่อตรวจสอบว่าเกิดจากกระบวนการทั่วไปหรือไม่ อย่างไรก็ตาม วิธีเดียวที่จะระบุลักษณะของสัญญาณได้คือการตรวจสอบข้อมูลจำนวนมากยิ่งขึ้น

"จากเหตุการณ์เพียงครั้งเดียว เราไม่สามารถสรุปได้ว่าเรากำลังสังเกตเห็นสัญญาณแรกของฟิสิกส์รูปแบบใหม่ มีการศึกษาค้นคว้าอย่างมากมายเพื่อตรวจสอบว่าเหตุการณ์นี้ไม่ได้เป็นผลมาจากกระบวนการทั่วไป และจนถึงขณะนี้ก็ผ่านการทดสอบทุกอย่างแล้ว วิธีเดียวที่จะแน่ใจได้คือการวิเคราะห์ข้อมูลเพิ่มเติม"

LZ ยังคงรวบรวมข้อมูลการสังเกตการณ์ในรัฐเซาท์ดาโคตาอย่างต่อเนื่อง และขณะนี้ได้รวบรวมตัวอย่างที่ใหญ่ที่สุดเท่าที่เคยมีมาจากการทดลองค้นหา WIMP แล้ว ข้อมูลในอนาคตจะเปิดเผยว่าความผิดปกตินี้จะยังคงเป็นเหตุการณ์โดดเดี่ยวหรือไม่ จะลดความสำคัญลงเมื่อมีความรู้เกี่ยวกับพื้นหลังที่แม่นยำมากขึ้น หรือจะตามมาด้วยการกระเด็นกลับอื่นๆ ที่มีพลังงานและลักษณะที่เทียบเคียงได้ การเกิดซ้ำที่เป็นไปได้นี้เท่านั้นที่จะเปลี่ยนแสงวาบของซีนอนเพียงครั้งเดียวให้กลายเป็นข้อค้นพบเกี่ยวกับธรรมชาติของสสารมืด

ต่อไปนี้เป็นข้อมูลเชิงลึกสามประการที่คุณอาจสนใจ:

SNOLAB ห้องปฏิบัติการใต้ดินลึก 2 กิโลเมตร วิทยาศาสตร์ก้าวล้ำด้วยข้อมูล
Euclid ภารกิจของ ESA เพื่อตามล่าพลังความมืดแห่งจักรวาล
"ความจริงอันดำมืด" ที่เต็มไปด้วยความลึกลับ (ใหม่) เกี่ยวกับจักรวาล