Pierwszy w historii dowód na istnienie aksjonu byłby, przynajmniej dla fizyków zajmujących się tą dziedziną nauki, znaczenie porównywalne z potwierdzeniem 1998 roku, że Wszechświat się rozszerza i to coraz szybciej.
Czymże jest aksjon, jeżeli nie odpowiedzią na jedną z bolączek trawiących od blisko pół wieku naukowców pracujących w ramach tzw. modelu standardowego cząsteczek elementarnych. Nie wiadomo dlaczego neutrony powinny mieć dipolowy moment elektryczny, a go nie mają. Aksjon, wymyślona w 1977 cząsteczka spoza modelu, miałby wytłumaczyć brak tej cechy.
Ciężko zobaczyć ducha przenikającego nieraz przez całą materię tworzącą Ziemię bez wchodzenia w interakcję z nawet jednym atomem. Dlatego budujemy detektory i chronimy je przed szumem z innych źródeł licząc, że wyłapiemy cząsteczki ciemnej materii, czy będą to aksjony czy WIMP-y (słabo oddziałujące masywne cząstki).
Kolejne detektory XENON szukały WIMP-ów, ale po 14 latach potwierdziły tylko, że raczej nie jest to dobry kandydat na ciemną materię, zauważa Live Science. [
W mrokach wypełnionego ponad 3 tonami płynnego ksenonu zbiornika szukano małych błysków. Osłonięty od większości form promieniowania na Ziemi dopuszczać miał wizyty jedynie małej grupy cząstek (w tym tych mających odpowiadać za ciemną materię).
Po czasie uznano, że mając taki detektor można poszukiwać cząstek ciemnej materii na różne sposoby. Zamiast jak do tej pory rejestrować cząstki zderzające się z jądrem ksenonu, zaczęto nasłuchiwać skutków zderzenia z elektronem.
Ryzykowne, bo większość takich sygnałów to szum tła wywołany zanieczyszczeniem z źródeł jak ołów czy krypton. Zwiększano jednak precyzję filtrowania i w końcu w szumie udało się usłyszeć coś, co zabrzmiało jak uderzenie aksjona. Choć nie do końca.
Wszystko w takich eksperymentach sprowadza się do wyłapywania w szumie tła tego, czego w nim nie powinno być. Szacując prawdopodobną liczbę sygnałów fałszywych skupiono się na niewytłumaczalnym naddatku.
Zdjęcie: The XENON Collaboration
W pierwszym roku działania detektora XENON1T spodziewano się 232 sygnałów zderzeń z elektronami. Wykryto jednak aż 285. Kolejny rok trwało badanie sygnałów i szukanie możliwych źródeł. W procesie eliminacji osiągnięto trzy możliwe wytłumaczenia: ”skażenie” sygnałem z radioaktywnego trytu (wodór z dwoma neutronami), nietypowo zachowująca się cząstka neutrino lub właśnie aksjon.
Jednak nawet to najlepsze prawdopodobne wyjaśnienie zostało ogłoszone, parafrazując klasyka, ”z pewną taką niepewnością”. Naukowcy działający w programie XENON ogłosili, że wykryli pochodzące ze Słońca aksjony z ufnością 3,5 sigma.
Ogłoszenia odkryć tej skali, jak bozonu Higgsa w 2012 roku, podaje się z ufnością 5 sigma. Im mniejsza, tym większe prawdopodobieństwo, że zaszła pomyłka. Wszystko sprowadza się do siły sygnału, który w tym przypadku był dość słaby.
Owszem, dane obserwacyjne mogą być zgodne z hipotezą istnienia aksjonu, ale rośnie ryzyko, że to przypadkowe promieniowanie tła wytworzyło ów sygnał. Przy 3,5 sigma ryzyko jest jak 2 do 10 tys.; przy 5 sigma już 1 do 3,5 mln.
Fakt, że chodzi o solarne aksjony też jest ważny. Jako młoda, dopiero co narodzona w gwieździe ”ciemna materia” nie mogłaby odpowiadać za te 85 proc. niewidzialnej masy tworzącej większość Wszechświata. Ale, tłumaczą dziennikarzom badacze, nadal jest to ciemna materia.
Zdjęcie: The XENON Collaboration
Tymczasem świat naukowy musi czekać na publikację pełnych wyników pracy detektora. Nie da się też zbadać jakości jego izolacji, bo XEON1T działający w latach 2016 – 2018 został już rozmontowany i na jego bazie zaczęto budować nowy i większy (10-ton płynnego ksenonu).
– Jeżeli nasze badanie zostanie potwierdzone, nadal nie wiemy czy aksjon może skorygować problem z neutronami w modelu standardowym. I nie wyjaśniłby zagadki całej brakującej masy we Wszechświecie – studzi emocje Kai Martens, pracujący nad eksperymentem fizyk z Uniwersytetu w Tokio.
To czego nadal nie znaleźliśmy to ”zimna ciemna materia” wypełniająca przestrzeń między galaktykami. O ile solarne aksjony są ”nowe”, cząsteczki zimnej ciemnej materii istnieją (najpewniej) w niezmienionej formie od miliardów lat. W najbliższych miesiącach ruszy nowa wersja detektora pod Apeninami, XENONnT i jeżeli jego sensory też wykryją naddatek sygnałów, będzie można zweryfikować każdą z trzech hipotez.