XENON1T-Fotodetektoren. (Xenon-Zusammenarbeit) Tief unter den Bergen des Gran Sasso in Italien, dem empfindlichsten der Welt Dunkle Materie Das Experiment hat eine überraschende Entdeckung gemacht. Nein, es ist keine dunkle Materie. Stattdessen hat das Experiment deutlich mehr Teilchenwechselwirkungsereignisse festgestellt, als vorhergesagt Standardmodell der Teilchenphysik.
Anstelle der 232 ± 15 Niedrigenergieereignisse, die in den Daten eines Jahres zwischen Februar 2017 und Februar 2018 erwartet wurden, entdeckte das XENON1T-Experiment zur Dunklen Materie 285 – satte 53 mehr als vorhergesagt und deutlich außerhalb der Fehlertoleranz.
Erstaunlicherweise weiß das große internationale Physikerteam, das an der Zusammenarbeit beteiligt ist, nicht, was den Überschuss verursacht, obwohl es seit 2018 an den Ergebnissen arbeitet.
Nach sorgfältiger Überlegung haben sie ihre Optionen auf drei Möglichkeiten reduziert: eine ziemlich banale … und zwei weitere, die einen enormen Einfluss auf unser Verständnis der Grundlagenphysik haben würden.
Die Forscher präsentierten ihre Ergebnisse am 17. Juni in einem Online-Seminar eine Arbeit vorbereitet das befindet sich derzeit im Vordruck Peer-Review .
„Wir beobachten einen Überschuss, der größer als drei Sigma ist, und wir wissen nicht, was es ist“, sagte der Physiker Evan Shockley der University of Chicago.
XENON1T ist ein Tank, der mit 3,2 Tonnen hochreinem flüssigen Xenon gefüllt und mit einer Reihe von Photomultiplierröhren ausgestattet ist. Es ist vollständig versiegelt und völlig dunkel, um die Szintillation und Elektrolumineszenz zu erkennen, die entstehen, wenn zwei Teilchen miteinander interagieren und dabei winzige Lichtblitze und einen winzigen Elektronenschauer erzeugen, der von einem Xenon-Atom ausgestoßen wird – was als Elektronenrückstoß bezeichnet wird.
Da die meisten dieser Wechselwirkungen von bekannten Partikeln ausgehen, ist es relativ einfach, die Anzahl der Hintergrundereignisse abzuschätzen, die auftreten sollten. Daraus wurde die Zahl 232 für niederenergetische Elektronenrückstoßereignisse abgeleitet.
Die große Frage ist also, „woher die zusätzlichen 53 Ereignisse kommen“.
Das erste und banalste der drei Szenarios, die zu zusätzlichen Teilchenwechselwirkungen hätten führen können, ist eine bisher unberücksichtigte Quelle von Hintergrundereignissen, die durch sehr geringe Mengen eines seltenen radioaktiven Wasserstoffisotops namens Tritium verursacht werden.
Die Forscher stellten fest, dass Tritium durch die kosmogene Aktivierung von Xenon und Wasserstoff in den Detektormaterialien selbst in den Detektor gelangt sein könnte. Es würde nur eine winzige Menge Tritium benötigen – nur ein paar Atome pro 10 25 Xenon-Atome, viel zu klein, um nachgewiesen zu werden. Versuche, Tritium auf andere Weise nachzuweisen, blieben erfolglos, sodass die Tritium-Hypothese weder bestätigt noch ausgeschlossen werden konnte.
Die zweite, interessantere Möglichkeit besteht darin, dass das Signal durch verursacht werden könnte Neutrinos . Diese Teilchen ähneln Elektronen, haben aber fast keine Masse und keine Ladung und interagieren nur sehr selten mit anderen Teilchen. Das ist auch gut so, denn Neutrinos sind die am häufigsten vorkommenden Teilchen im Universum.
Den Berechnungen des Teams zufolge könnten Neutrinos für das überschüssige Signal verantwortlich sein, wenn sie stärker wären magnetisches Moment - also magnetische Stärke und Ausrichtung - als wir dachten. Wenn diese Neutrinos mit stärkerem magnetischem Moment für das Signal verantwortlich sind, bräuchten wir möglicherweise neue physikalische Methoden, um zu erklären, wie sie existieren können.
Das große Problem bei diesem Szenario besteht darin, dass diese Neutrinos in Sternkernen erzeugt werden ( unter anderem ) und würden in größerer Zahl in sehr heißen Sternen wie Weißen Zwergen erzeugt, aus denen sie Energie extrahieren und so die Hitze des Sterns verringern würden. Einen solchen Wärmeverlust haben wir bisher noch nicht beobachtet im Einklang mit der Energiegewinnung von Neutrinos mit starken magnetischen Momenten. Dadurch entsteht, wie die Forscher es nennen, eine „starke Spannung“ mit ihren eigenen Ergebnissen.
Das dritte Szenario ist eine Art hypothetisches Teilchen namens Sonnenaxion. Dies ist die beste Anpassung an die Daten mit einem Konfidenzniveau von 3,5 Sigma, d. h. einer Wahrscheinlichkeit von 2 zu 10.000, dass es sich bei dem Signal um eine zufällige Fluktuation handelt. (Die anderen beiden Szenarien haben ein Konfidenzniveau von 3,2 Sigma.)
Das wäre tatsächlich der Fall riesig , da wir bisher keinerlei Axionen entdeckt haben. Axionen sind eine Art von Teilchen, die in den 1970er-Jahren als Hypothese aufgestellt wurden, um die Frage zu klären, warum starke Atomkräfte einem so genannten Phänomen folgen Ladungsparitätssymmetrie , während die meisten Modelle sagen, dass sie das nicht brauchen.
Axionen einer bestimmten Masse sind a starker Kandidat für dunkle Materie . Solare Axionen, die hypothetisch von der Sonne ausströmen, sind nicht dasselbe wie die Kandidaten-Axionen der Dunklen Materie, wären aber ein deutlicher Hinweis auf deren Existenz – wenn solare Axionen existieren, sollten auch andere Axionen existieren.
Das Problem dieses Szenarios ist dem Problem mit den Neutrinos sehr ähnlich. Wenn die Sonne Axionen erzeugen kann, sollten das auch alle Sterne tun; und wiederum der beobachtete Wärmeverlust an Orten mit sehr heißen Sternen strenge Grenzen für Axion-Wechselwirkungen mit subatomaren Teilchen .
Wir stehen also vor einem Dilemma, das nur mit – Sie haben es erraten – weiteren Experimenten gelöst werden kann. Da XENON1T auf die nächste Phase, XENONnT, umsteigt, müssen wir vorerst nur unseren Hut behalten.
„Die hier besprochenen Signale können in den Detektoren der nächsten Generation weiter untersucht werden“, schrieben die Forscher in ihrer Arbeit .
„XENONnT mit einer Zielmasse von 5,9 Tonnen und einer Reduzierung des ER-Hintergrunds um den Faktor ∼6 wird es uns ermöglichen, den Überschuss viel detaillierter zu untersuchen, falls er anhält.“ Vorläufige Studien, die auf den besten Ergebnissen dieser Arbeit basieren, legen nahe, dass ein solares Axionsignal von einem Tritiumhintergrund auf dem 5 σ-Niveau bereits nach wenigen Monaten der Daten von XENONnT unterschieden werden konnte.
Das Vordruckpapier wurde erstellt auf die XENON1T-Website hochgeladen .