We włoskich Apeninach, pod Górą Gran Sasso, mieści się największe podziemne laboratorium naukowe na świecie. Znajdujące się w nim instrumenty pomiarowe przed promieniowaniem kosmicznym chroni prawie półtora kilometra skał. To właśnie tam od połowy ubiegłej dekady fizycy starają się rozwikłać jedną z największych zagadek Wszechświata – czyli wykryć ślady ciemnej materii.

Nie wiemy, czym ona jest. Wiadomo jednak, że musi być jej we Wszechświecie więcej niż zwykłej materii. Dlaczego? Bo gdyby nie istniała, wirujące galaktyki rozpadłyby się pod wpływem siły odśrodkowej. Obliczenia pokazują, że zwykłej (świecącej i niewidocznej) materii jest w kosmosie aż pięć razy za mało, żeby taki rozpad powstrzymać.

Na ciemną materię musi działać siła przyciągania. Ale to wszystko: nie wpływają na nią żadne inne oddziaływania fizyczne. Według szacunków, ciemna materia tworzy 27 proc. całego Wszechświata. Zwykła - gwiazdy, planety, pył międzygwiezdny - tylko pięć procent.

Śladów ciemnej materii trzeba szukać pod ziemią

By wykryć ciemną materię, naukowcy obmyślili eksperyment zwany XENON1T. Główną rolę odgrywały w nim wielkie pojemniki wypełnione 3,5 tonami ciekłego ksenonu. Gdyby coś przez nie przeleciało, zjonizowałoby cząsteczki ksenonu, które emitowałyby fotony. Z pewnością nie byłoby to promieniowanie kosmiczne, bo te zatrzymuje otaczająca laboratorium gruba warstwa skał. Musiałaby to być ciemna materia, a analiza pozostawionego śladu ujawniłaby jej właściwości.

Zamontowane na dnie zbiorników fotodetektory były tak czułe, że mogły rejestrować pojedyncze fotony. Bardzo precyzyjne założenia eksperymentu pozwoliły przewidzieć, że pojawią się w nim dokładnie 232 fotony. Gdy jednak w zeszłym roku przeprowadzono test, zarejestrowano 285 fotonów - czyli 53 więcej niż przypuszczano.

Wyniki włoskich poszukiwań ciemnej materii ogłoszono w czerwcu 2020 roku. Od tego czasu świat nauki analizuje, co mogło być przyczyną 53 dodatkowych sygnałów.

To nie ciemna materia, lecz ciemna energia, przekonują teoretycy

Pierwsza hipoteza przywoływała koncepcję aksjonów. To hipotetyczne cząstki, które miałyby powstawać z fotonów w gwiazdach pod wpływem silnych pól magnetycznych. Jednak jeszcze nigdy takich cząstek nie wykryto - jeśli faktycznie istnieją, są znakomitym kandydatem na składnik ciemnej materii.

W najnowszej pracy opublikowanej w „Physical Review D” naukowcy z Uniwersytetu w Cambridge i włoskiego Narodowego Laboratorium astrofizycznego we Frascati przedstawiają inną koncepcję. Ich zdaniem to, co wykrył detektor XENON1T, nie było wcale śladami ciemnej materii.

Fizycy twierdzą, że gdyby sygnały wykryte w eksperymencie XENON1T były wynikiem działania składnika ciemnej materii, musiałoby być jej znacznie więcej niż zakładają teorie. A gdyby było jej więcej, wykrylibyśmy to - np. obserwując szybsze starzenie się gwiazd masywniejszych od Słońca. Niczego takiego jednak nie obserwujemy.

Skąd więc wzięły się dodatkowe sygnały? Jeśli ich źródłem nie jest ciemna materia, być może stanowią efekt oddziaływania jeszcze bardziej tajemniczego składnika kosmosu – ciemnej energii, twierdzą badacze. Ciemna energia, która działa przeciwnie do siły grawitacji, sprawia, że im Wszechświat jest większy, tym szybciej się rozszerza. Według wyliczeń, to właśnie ona stanowi brakujące 68 proc. kosmosu.

„Gdy rzeczy pasują do siebie, jak w tym przypadku, to zadziwiające”

Fizycy skonstruowali model, który pokazuje, że to cząstki ciemnej energii (a nie ciemnej materii) mogą tłumaczyć nadmiar fotonów wykrytych w eksperymencie XENON1T. Jeśli taka ciemna energia istnieje, jej kwanty (czyli cząstki) również powstawałyby w silnych polach magnetycznych. Ale proces ustawałby, gdy gęstość materii przekraczałaby pewną granicę. Nie zachodziłby na przykład w gwiazdach.

- Nasz model rozwiązuje problem nadmiaru aksjonów. Zakłada, że cząstki ciemnej energii powstają, ale proces ten ustaje w bardzo gęstych obiektach. Pozwala też oddzielić zjawiska zachodzące w skali lokalnej, gdzie dominują duże gęstości, od zjawisk w największej kosmicznej skali, gdzie gęstość materii jest bardzo niska - mówi dr Sunny Vagnozzi z Instytutu Kosmologii Uniwersytetu Cambridge i główny autor pracy. – Byliśmy zdziwieni, że ten nadmiar [zarejestrowany przez XENON1T] może być spowodowany raczej ciemną energią niż ciemną materią. Ale gdy rzeczy pasują do siebie, tak jak w tym przypadku, jest to zadziwiające - dodaje fizyk.

Wyliczenia zespołu sugerują, że eksperymenty takie jak XENON1T mogą posłużyć do wykrywania ciemnej energii.

Czym jest ciemna materia, możemy się dowiedzieć w ciągu najbliższej dekady

Nie zmienia to faktu, że wyniki ogłoszone w czerwcu ubiegłego roku muszą zostać jeszcze potwierdzone. Fizycy nie lubią mówić o odkryciach, gdy nie stwierdzą, że dane spełniają warunek „5 sigma”. 5 sigma oznacza prawdopodobieństwo, że wynik jest dziełem przypadku mniejsze niż 0.00006 procent, czyli mniej niż jeden do miliona.

Szczęśliwie 1400 metrów pod górą Gran Sasso zaplanowano kolejny eksperyment, nazwany XENONnT. W podziemnych zbiornikach zgromadzono aż 8 ton ciekłego ksenonu. Gdyby nie pandemia koronawirusa, która opóźniła rozpoczęcie pomiarów, zapewne niebawem poznalibyśmy ich wyniki.

Teorię z ciemną energią w roli głównej powinny też potwierdzić inne podobne planowane eksperymenty: LUX-Zeplin (w Sanford Underground Research Facility w Południowej Dakocie) i PandaX-xT (prowadzony w China Jinping Underground Laboratory w Syczuanie). Możliwe więc, że tego, czym jest ciemna materia i ciemna energia, dowiemy się jeszcze przed końcem dekady.

Źródło: University of Cambridge, Physical Review D