یک جرقه تنها در زنون مایع: چرا ناهنجاری ماده تاریک در آزمایش LZ فراتر از یک خطای ساده است

وقتی فیزیک‌دانان در سرن (CERN) سرانجام در سال ۲۰۱۲ بوزون هیگز را به دام انداختند، یک جرقه غیرقابل‌انکار و منفرد پیدا نکردند؛ بلکه به کوهی آماری از برآمدگی‌های کوچک رسیدند که در کنار هم، وجود یک ذره را ثابت می‌کرد. جستجو برای ماده تاریک نیز از نظر تاریخی بر همین فرض استوار بوده است: اینکه موفقیت، شبیه به انباشت تدریجی سیگنال‌های ضعیفی خواهد بود که از میان نویز پس‌زمینه سر بر می‌آورند. اما ناهنجاری ثبت‌شده توسط آزمایش لوکس-زپلین (LZ) این قالب را کاملاً در هم می‌شکند. این یک کوه آماری نیست. این یک جرقه نورانی منفرد و منزوی در مخزنی از زنون مایع در عمق یک مایلی زیر داکوتای جنوبی است؛ رویدادی چنان پرانرژی و چنان عاری از تداخلات شناخته‌شده پس‌زمینه که پژوهشگران نمی‌توانند به‌سادگی آن را نادیده بگیرند.

یافته‌های تیم همکاری LZ که در ۱ سپتامبر ۲۰۲۶ در کنفرانس اخترفیزیک ذرات TeV در ژاپن ارائه شد، قانع‌کننده‌ترین نشانه از یک ذره ماده تاریک است که تاکنون ثبت شده است. پژوهشگران ادعای یک کشف رسمی را ندارند و با شفافیتی تهاجمی به این واقعیت ریاضی اذعان می‌کنند که یک رویداد منفرد همچنان می‌تواند یک خطای آماری باشد. با این حال، معماری آشکارساز LZ رد کردن این جرقه خاص را به‌طور منحصربه‌فردی دشوار می‌سازد.[1][2]

ماده تاریک تقریباً ۸۵ درصد از جرم کیهان را تشکیل می‌دهد. این ماده کهکشان‌ها را کنار هم نگه می‌دارد، اما برهم‌کنش آن با ماده معمولی چنان ضعیف است که برای مشاهدات مستقیم کاملاً نامرئی باقی مانده است. فرضیه غالب در دهه‌های گذشته، «ذره پرجرم با برهم‌کنش ضعیف» یا WIMP بوده است؛ شبحی سنگین و کند که بدون برخورد با هیچ‌چیز، از میان سیارات و ستارگان عبور می‌کند.[3]

برای به دام انداختن یک WIMP، فیزیک‌دانان تله‌ای ساختند که برای ثبت نادرترین برخوردها طراحی شده است. آشکارساز LZ که در تأسیسات تحقیقاتی زیرزمینی سنفورد (SURF) واقع شده، در زیر تقریباً یک مایل صخره سخت قرار دارد تا از پرتوهای کیهانی در امان بماند. در داخل یک مخزن عظیم آب، هسته اصلی قرار دارد: ۱۰ تن زنون مایع فوق‌خالص.[6]

مکانیسم تشخیص بر یک امضای نوری دوگانه متکی است. اگر یک WIMP به هسته یک اتم زنون برخورد کند، این تصادم یک جرقه نورانی فوری و ضعیف به نام سوسوزنی اولیه تولید می‌کند. الکترون یا هسته ضربه‌خورده سپس از درون مایع به سمت بالا و به لایه‌ای از گاز زنون حرکت کرده و جرقه دوم و درخشان‌تری را ایجاد می‌کند. نسبت و زمان‌بندی این دو جرقه به فیزیک‌دانان دقیقاً می‌گوید که چه نوع ذره‌ای باعث این برخورد شده است.[4]

پس از بررسی ۲۲۰ روز داده جمع‌آوری‌شده بین مارس ۲۰۲۳ و آوریل ۲۰۲۴، تیم LZ یک رویداد منفرد را که در ۱۶ ژوئن ۲۰۲۳ رخ داده بود، جدا کرد. این رویداد دقیقاً همان امضای جرقه دوگانه‌ای را داشت که از یک WIMP انتظار می‌رفت، اما در منطقه‌ای از مجموعه داده‌ها رخ داد که نویز پس‌زمینه ناشی از واپاشی رادیواکتیو معمولی در آن عملاً وجود ندارد.[2][5]

آنچه نادیده گرفتن این رویداد خاص را نسبت به هشدارهای کاذب قبلی دشوارتر می‌کند، پروفایل انرژی این برخورد است. این ضربه انرژی بسیار بیشتری نسبت به آنچه مدل‌های استاندارد WIMP پیش‌بینی می‌کنند، به زنون وارد کرد. اگر این واقعاً یک ذره ماده تاریک بوده باشد، جرم آن باید حداقل ۲۰۰ گیگاالکترون‌ولت (GeV/c2) باشد؛ یعنی بیش از ۲۰۰ برابر جرم یک پروتون منفرد.[4]

سم اریکسن، پژوهشگر ارشد در دانشگاه بریستول و نویسنده اصلی این مطالعه، می‌گوید: «این یک مطالعه دقیق در منطقه‌ای از این مجموعه داده بود که قبلاً کاوش نکرده بودیم، و ما ماه‌ها تلاش مضاعف صرف کردیم تا تمام علل احتمالی رویدادهای پس‌زمینه را درک کنیم. ما آشکارساز خود و پس‌زمینه‌ها را آن‌قدر خوب می‌شناسیم که حتی یک رویداد برجسته منفرد، مانند آنچه پیدا کردیم، اهمیت زیادی دارد.»[1][6]

قوی‌ترین استدلال متقابل در برابر فرضیه WIMP، ریاضیات بی‌رحم فیزیک ذرات است. رویداد LZ دارای اهمیت آماری ۲.۶ سیگما است. به بیان ساده، تقریباً ۰.۵ درصد احتمال وجود دارد که این سیگنال توسط یک فرآیند پس‌زمینه شناخته‌شده تولید شده باشد که برخورد ماده تاریک را تقلید می‌کند.[3][4]

در هر رشته علمی دیگری، سطح اطمینان ۹۹.۵ درصدی بهانه‌ای برای جشن و پایکوبی است. اما در فیزیک ذرات، این رقم به‌سختی حتی به‌عنوان یک پاورقی ثبت می‌شود. یک کشف رسمی نیازمند آستانه ۵ سیگما است، به این معنی که احتمال مثبت کاذب باید کمتر از یک در ۳.۵ میلیون باشد. یک برآمدگی ۲.۶ سیگمایی دقیقاً همان نوع نوسان آماری است که معمولاً با اضافه شدن داده‌های بیشتر به مجموعه، ناپدید می‌شود.[4][7]

ریک گایتسکل، استاد فیزیک در دانشگاه براون و سخنگوی LZ، موضع این تیم همکاری را با احتیاطی حساب‌شده بیان کرد: «تنها با یک رویداد، ما نمی‌خواهیم شتاب‌زده عمل کنیم. ما ادعا نمی‌کنیم که ماده تاریک را دیده‌ایم. اما چیز جالبی دیده‌ایم که می‌خواهیم آن را برای دریافت نظرات جامعه علمی به اشتراک بگذاریم.»[2][3]

این پروفایل جرمی خاص ۲۰۰ GeV/c2، فیزیک‌دانان نظری را مجبور می‌کند تا ساده‌ترین نسخه‌های فرضیه WIMP را بازنگری کنند. این امر نشان‌دهنده برهم‌کنش پیچیده‌تری بین ماده تاریک و ماده معمولی است که به‌طور بالقوه شامل پراکندگی غیرالاستیک یا نیروهای وابسته به تکانه می‌شود که مدل‌های استاندارد آن‌ها را در نظر نمی‌گیرند.[3]

تیم LZ ماه‌ها تلاش کرد تا یافته‌های خود را نقض کند. آن‌ها محافظ‌ها، حسگرهای مخزن آب و ابزارهای محاسباتی طراحی‌شده برای تفکیک ذرات تقلیدکننده را تجزیه و تحلیل کردند. ترزا فروث، فیزیک‌دان دانشگاه سیدنی که روی این تحلیل کار کرده است، به مقاومت این سیگنال اشاره کرد و گفت: «این رویداد حتی پس از بررسی‌های بسیار بسیار زیاد، از بین نمی‌رود.»[5]

راه‌حل این بحث از استدلال‌های نظری به دست نخواهد آمد، بلکه از داده‌های خام حاصل می‌شود. آشکارساز LZ همچنان به کار خود ادامه می‌دهد و این تیم همکاری انتظار دارد در سال‌های آینده داده‌های جستجوی WIMP بسیار بیشتری را جمع‌آوری کند. اگر رویداد ژوئن ۲۰۲۳ یک شبح آماری بوده باشد، سیگنال ۲.۶ سیگمایی با رشد خط پایه، مسطح و محو خواهد شد.[4][7]

اما اگر این اولین برخورد واقعی یک ذره ماده تاریک بوده باشد، جرقه‌های بیشتری ناگزیر به دنبال آن خواهند آمد. جامعه بین‌المللی فیزیک از هم‌اکنون در حال طراحی رصدخانه رویدادهای نادر XLZD است؛ جانشین پیشنهادی که ده برابر زنون مایع بیشتری در خود جای می‌دهد و در اواسط دهه ۲۰۳۰ برای ثبت صدها مورد از این برهم‌کنش‌ها شروع به کار خواهد کرد.[1]

تا زمانی که آن آشکارسازهای آینده آنلاین شوند، یا تا زمانی که اجرای فعلی LZ جرقه مشابه دومی را تولید کند، جامعه فیزیک در وضعیتی از انتظارِ به‌شدت تنظیم‌شده معلق می‌ماند. این جرقه منفرد در اعماق داکوتای جنوبی، همچنان دقیق‌ترین هدفی است که این شاخه از علم تاکنون در اختیار داشته است.[2]