Znajdź zawartość

Prowadzony głęboko pod włoskimi Alpami eksperyment XENON1T mógł wykryć ciemną energię, twierdzą członkowie międzynarodowej grupy badawczej, na której czele stali uczeni z Cambridge University. W artykule opublikowanym na łamach Physical Review D uczeni z Wielkiej Brytanii, Włoch, Holandii, Francji i USA donoszą, że część z niewyjaśnionych sygnałów mogło zostać spowodowanych interakcją z ciemną energią, a nie ciemną materią dla której XENON1T został zaprojektowany. XENON1T znajduje się we włoskim Laboratorium Narodowym Gran Sasso położonym 1400 metrów pod masywem Gran Sasso. To wykrywacz ciemnej materii, a jego umiejscowienie głęboko pod ziemią ma chronić przed promieniowaniem kosmicznym generującym fałszywe sygnały. Zgodnie z teoretycznymi założeniami, cząstki ciemnej materii mają zderzać się z atomami w detektorze, a sygnały ze zderzeń będą rejestrowane. Centralna część XENON1T to cylindryczny zbiornik o długości 1 metra wypełniony 3200 kilogramami płynnego ksenonu o temperaturze -95 stopni Celsjusza. Gdy ciemna materia zderzy się z atomem ksenonu, energia trafia do jądra, które pobudza jądra innych atomów. Wskutek tego pobudzenia pojawia się słaba emisja w zakresie ultrafioletu, którą wykrywają czujniki na górze i na dole cylindra. Te same czujniki są też zdolne do zarejestrowania ładunku elektrycznego pojawiającego się wskutek zderzenia. Przed rokiem informowaliśmy, że „Najczulszy detektor ciemnej materii zarejestrował niezwykłe sygnały. Fizycy nie wiedzą, czym one są", a kilka miesięcy później pojawiła się informacja o kilku interesujących hipotezach dotyczących tych sygnałów. Nikt wówczas nie przypuszczał, że rozwiązaniem zagadki może być ciemna energia, gdyż XENON1T nie został przygotowany do jej rejestrowania. Autorzy najnowszych badań stworzyli model fizyczny, który wyjaśnia część z tych niezwykłych sygnałów. Zgodnie z nim, mamy tu do czynienia z cząstkami ciemnej energii, które powstały w regionie Słońca o silnych polach magnetycznych. To, co jesteśmy w stanie obecnie dostrzec stanowi mniej niż 5% wszechświata. Cała reszta jest dla nas ciemna. Wszechświat składa się w 27% z ciemnej materii, a 68% stanowi ciemna energia. Pomimo tego, że obie te składowe są dla nas niewidoczne, znacznie więcej wiemy o ciemnej materii, gdyż jej obecność sugerowano już w latach 20. ubiegłego wieku. O tym, że musi istnieć też ciemna energia dowiedzieliśmy się dopiero w 1998 roku, wyjaśnia doktor Sunny Vagnozzi z Kavli Institute for Cosmology na Cambridge University. Wielkie eksperymenty, jak XENON1T zostały zaprojektowane tak, by bezpośrednio wykrywać ciemną materię, rejestrując zderzenia jej cząstek z cząstkami zwykłej materii. Jednak uchwycenie ciemnej energii jest jeszcze trudniejsze. Chcąc wykryć ciemną energię naukowcy poszukują dowodów jej oddziaływania grawitacyjnego na otoczenie. Wiemy, że w największej skali – całego wszechświata – ciemna energia odpycha obiekty od siebie, dlatego też wszechświat rozszerza się coraz szybciej. Przy tego typu złożonych badaniach często pojawiają się niewytłumaczalne sygnały, które po analizach zwykle okazują się różnego typu zakłóceniami. Gdy w XENON1T zarejestrowano w ubiegłym roku wspomniane już tajemnicze sygnały, pojawiło się kilka pomysłów na to, czym mogą one być. Najpopularniejsze wyjaśnienie brzmiało, że zarejestrowano aksjony, hipotetyczne cząstki tworzące ciemną materię, oraz że pochodziły one ze Słońca. Jednak analizy wykazały, że liczba aksjonów, które musiałyby dotrzeć do nas ze Słońca, by wywołać taki sygnał w XENON1T musiałaby być bardzo duża. Tak duża, że gdyby gwiazdy emitowały tyle aksjonów, to gwiazdy o masie większej od masy Słońca ewoluowałyby w inny sposób, niż ewoluują. Autorzy najnowszych badań przyjęli więc założenie, że tajemnicze sygnały wywołała ciemna energia. I stworzyli model, który pokazuje, co powinien zarejestrować XENON1T gdyby dotarła doń ciemna energia wygenerowana w tachoklinie, obszarze Słońca, w którym pola magnetyczne są wyjątkowo silne. Naukowcy byli zaskoczeni, gdy okazało się, że ich model pasuje do obserwacji. Uzyskane wyniki sugerują bowiem, że wykrywacze takie jak XENON1T mogą być też używane do poszukiwania ciemnej energii. Vagnozzi i jego koledzy zastrzegają jednak, że ich badania wciąż wymagają potwierdzenia. Musimy wiedzieć, że to nie jest jakieś zakłócenie. Jeśli jednak XENON1T coś zarejestrował, to w niedalekiej przyszłości powinniśmy zarejestrować podobne, ale znacznie silniejsze sygnały, mówi Luca Visinelli z Narodowych Laboratoriów Frascati we Włoszech. Uczony ma tutaj na myśli badania prowadzone przez znacznie większe i doskonalsze urządzenia. Takie jak LUX-ZEPLIN, XENONnT czy PandaX-xT, które już rozpoczęły pracę lub w najbliższym czasie ją rozpoczną. « powrót do artykułu

W czerwcu informowaliśmy, że najczulszy detektor ciemnej materii – XENON1T – zarejestrował niezwykłe sygnały. Jak wówczas pisaliśmy, możliwe są trzy interpretacje tego, co zauważono. Najmniej interesująca z nich to zanieczyszczenie urządzenia. Drugim możliwym wyjaśnieniem jest zarejestrowanie aksjonu, hipotetycznej cząstki tworzącej ciemną materię, a trzecim – równie interesująca możliwość wchodzenia neutrin w niezwykłe interakcje z wypełniającym detektor ksenonem. Na łamach Physical Review D i Physical Review Letters ukazało się właśnie 5 artykułów, których autorzy dokonują niezwykle interesujących interpretacji sygnałów. Fuminotu Takahashi, Masaki Yamada i Wen Yin uważają, że zarejestrowane sygnały świadczą o zauważeniu cząstek podobnych do aksjonów. Mają mieć one masę kilku keV/c2 i wchodzić w interakcje z elektronami. Ich zdaniem cząstki o takich właściwościach tłumaczą zarejestrowany sygnał, stanowią ciemną materię i wyjaśniają pewne anomalie obserwowane w białych karłach i czerwonych olbrzymach. Z kolei niemiecki zespół naukowy, Andreas Bally, Sudip Jana i Andreas Trautner, pisze, że sygnał może pochodzić od nieznanego bozonu cechowania, który pośredniczy w interakcjach pomiędzy pochodzącymi ze Słońca neutrinami a elektronami. Jeszcze inny pomysł ma Nicole F. Bell z University of Melbourne i jej koledzy z USA. Uważają oni, że źródłem sygnału jest cząstka ciemnej materii o relatywnie niskiej masie. Ich zdaniem cząstka taka można trafiać do detektora w "lekkim stanie" i rozpraszać się do "stanu ciężkiego", który rozpada się z towarzyszącą emisją fotonu. I to właśnie ten foton wchodzi w reakcje z elektronem, dając obserwowany sygnał. Bartosz Fornal z University of Utah oraz naukowcy z Pekinu i Hongkongu również uważają, że mamy do czyeniania z cząstką ciemnej materii. Ma ona pochodzić z centrum galaktyki. Sygnał zaś bierze się z jej interakcji z elektronami w XENON1T. Autorami ostatniego artykułu są Joseph Bramante i Ningqiang Song z Kanady. Naukowcy sądzą, że źródłem sygnału są rozpraszające się cząstki ciemnej materii będącej termicznym reliktem wczesnego wszechświata. Na ostateczne rozstrzygnięcie zagadki będziemy musieli jeszcze poczekać. Uda się to pod warunkiem, że podobny sygnał zostanie zarejestrowany w kolejnych eksperymentach związanych z poszukiwaniem ciemnej materii. « powrót do artykułu

W detektorze XENON1T we włoskim Laboratorium Narodowym Gran Sasso zarejestrowano, po raz pierwszy w historii, rozpad atomu ksenonu-124. Doszło do niego w formie podwójnego wychwytu elektronu. To niezwykle rzadkie wydarzenie. Okres połowicznego rozpadu tego pierwiastka jest bowiem... bilion razy dłuższy niż wiek wszechświata. To wyjaśnia, dlaczego zaobserwowanie tego procesu jest tak wyjątkowym wydarzeniem. Fakt, że byliśmy w stanie bezpośrednio obserwować ten proces pokazuje, jak potężnymi metodami detekcji dysponujemy. Sprawdzają się one również w przypadku sygnałów, które nie pochodzą z czarnych dziur, mówi profesor Christian Weinheimer z Uniwersytetu w Münster, który stał na czele grupy badawczej. XENON1T to wspólny projekt, przy którym pracuje 160 naukowców z Europy, USA i Bliskiego Wschodu. Laboratorium Narodowe Gran Sasso, którego właścicielem jest włoski Narodowy Instytut Fizyki Jądrowej, znajduje się na głębokości 1400 metrów pod masywem Gran Sasso. To wykrywacz ciemnej materii, a jego umiejscowienie głęboko pod ziemią ma chronić przed promieniowaniem kosmicznym generującym fałszywe sygnały. Zgodnie z teoretycznymi założeniami, cząstki ciemnej materii mają zderzać się z atomami w detektorze, a sygnały ze zderzeń będą rejestrowane. Centralna część XENON1T to cylindryczny zbiornik o długości 1 metra wypełniony 3200 kilogramami płynnego ksenonu o temperaturze -95 stopni Celsjusza. Gdy ciemna materia zderzy się z atomem ksenonu, energia trafia do jądra, które pobudza jądra innych atomów. Wskutek tego pobudzenia pojawia się słaba emisja w zakresie ultrafioletu, którą wykrywają czujniki na górze i na dole cylindra. Te same czujniki są też zdolne do zarejestrowania ładunku elektrycznego pojawiającego się wskutek zderzenia. Wyniki uzyskane przez grupę Weinheimera dowodzą, że XENON1T jest też zdolny do rejestrowania innych rzadkich zjawisk fizycznych, takich jak podwójny wychwyt elektronu. Jądro atomowe zawiera protony o ładunku dodatnim oraz obojętne neutrony. Całość otoczona jest elektronami, których ładunek jest ujemny. Jądro ksenonu-124 zawiera 54 protony i 70 neutronów. W procesie podwójnego wychwytu elektronów dwa protony jednocześnie przechwytują dwa elektrony, w wyniku czego powstały dwa neutrony i zostały wyemitowane dwa neutrino. Pozostałe elektrony przeorganizowują się tak, by uzupełnić luki spowodowane wychwyceniem elektronów na najbardziej wewnętrznej powłoce. Energia uwolniona w całym tym procesie jest przenoszona przez promieniowanie rentgenowskie oraz elektrony Augera. Podwójny wychwyt elektronu to niezwykle rzadki proces rozpadu. Można go zaobserwować dla tych nielicznych pierwiastków, dla których inne rodzaje rozpadu są praktycznie niemożliwe. Jakby jeszcze tego było mało, same sygnały tego procesu jest bardzo trudno wykryć, gdyż są one schowane we wszechobecnych sygnałach naturalnej radioaktywności. Udało się to jednak w detektorze XENON1T. Promienie rentgenowskie z podwójnego wychwytu elektronu wygenerowały w płynnym ksenonie sygnał świetlny. Pojawiły się też wolne elektrony. Elektrony te przesunęły się w stronę wypełnionej gazem górnej części cylindra, gdzie wygenerowały kolejny sygnał świetlny. Różnica w czasie pomiędzy pojawieniem się obu sygnałów świetlnych odpowiadała czasowi, jaki elektrony potrzebowały, by dotrzeć do góry detektora. Naukowcy wykorzystali te informacje do odnalezienia miejsca, w którym doszło do podwójnego wychwytu elektronu. Z siły sygnałów wyliczono też energię uwolnioną w tym procesie. Wszystkie sygnały zarejestrowano w czasie dłuższym niż rok. Jednak rozpatrywanie ich z osobna nie pozwoliło na zauważenie zjawiska, które miało miejsce. Dlatego też sama rejestracja sygnałów nie wystarczała. O tym, że doszło do podwójnego wychwytu elektronów, procesu świadczącego o rozpadzie ksenonu-124 uczeni dowiedzieli się dopiero po ukończeniu wszystkich analiz. Dopiero po tym i po sprawdzeniu danych z regionu, w którym zaszło wspomniane zjawisko, można było jednoznacznie stwierdzić, że 126 elementów znajdujących się w zarejestrowanych danych zostało wywołanych podwójnym wychwytem elektronu w jądrze ksenonu-124. Na podstawie uzyskanych danych naukowcy wyliczyli, że okres połowicznego rozpadu ksenonu-124 wynosi 1,8X1022 lat. Jest to najwolniejszy proces, jaki kiedykolwiek bezpośrednio zaobserwowano. Ksenon-124 nie jest jednak rekordzistą pod tym względem. Wiadomo, że jeszcze dłuższy okres połowicznego rozpadu ma tellur-128. Tego zjawiska nigdy jednak bezpośrednio nie zaobserwowano, a okres półrozpadu tego pierwiastka wyliczono pośrednio z innego procesu. XENON1T zbierał dane do grudnia 2018 roku. Wtedy to został wyłączony i obecnie jest rozbudowywany do urządzenia XENONnT. Znajdzie się w nim trzykrotnie więcej płynnego ksenonu niż obecnie, a urządzenie zostanie też lepiej zabezpieczone przez szumem tła. Dzięki temu stanie się ono czulsze o cały rząd wielkości. « powrót do artykułu