Detektor LUX-ZEPLIN zarejestrował niezwykły sygnał. Czy to ślad ciemnej materii?

Czyżby wreszcie udało się nakryć ponad jednej czwartą składu Wszechświata? Byłoby to epokowe wydarzenie naukowe. Fizycy donieśli o obiecującym sygnale zarejestrowanym w eksperymencie LUX-ZEPLIN (LZ). Ma cechy charakterystyczne dla cząstki będącej główną kandydatką na egzotyczną ciemną materię. Sygnał ten na razie trudno wyjaśnić bardziej konwencjonalnie.

Wyniki, które czeka jeszcze procedura drobiazgowych weryfikacji i recenzji, ogłoszono podczas konferencji astrofizycznej w Japonii we wrześniu 2026 r. Ostrożność jest wskazana, bo naukowcom nie udało się całkowicie wykluczyć wszystkich innych możliwych wyjaśnień sygnału a fałszywych alarmów i nadziei było wcześniej bez liku.

Jesteśmy bardzo zaintrygowani tym zjawiskiem (…) pojawiło się w obszarze, gdzie spodziewamy się obecności ciemnej materii, a poziom zakłóceń tła jest bardzo niski - komentował w komunikacie dla mediów Rick Gaitskell, fizyk z Uniwersytetu Browna i rzecznik projektu LZ - Jednak, mając do czynienia tylko z jednym takim zdarzeniem, nie chcemy wyciągać pochopnych wniosków.

 

Dlaczego trudno wykryć ciemną materię?

Już w latach 30-tych XX wieku astrofizycy zdali sobie sprawę, że to, co widzimy gołym okiem i za pomocą instrumentów we Wszechświecie, to nie wszystko. Z wielu pośrednich obserwacji wynika, że istnieje w nim dodatkowa masa, która oddziałuje grawitacyjnie ze zwykłą materią. Ponieważ nie emituje, ani nie odbija światła, ta tajemnicza substancja została nazwana „ciemną materią”.

Nie wiadomo, z czego się składa ta hipotetyczna materia. Były liczne spekulacje co do tego, czym ona jest i z jakich cząstek się składa, wykraczające poza granice Modelu Standardowego fizyki cząstek elementarnych. Poszukiwano, przez lata i dekady bezskutecznie, owych teoretycznych cząstek. Jak dotąd wysiłki te były frustrująco bezowocne. Być może wyniki z eksperymentu LUX-ZEPLIN po weryfikacjach okażą się przełomem.

LZ dostosowano go do wykrywania sygnałów pochodzących od określonego typu kandydatek na ciemną materię, które fizycy nazywają cząstkami o dużej masie i słabym oddziaływaniu z materią zwykłą (ang. skrót WIMP - Weakly Interacting Massive Particles). To słabe oddziaływanie (hipotetyczne, jak same cząstki) ze znaną nam materią sprawia, że są one trudne do wykrycia (jeśli w ogóle istnieją). W większości przypadków cząstki WIMP powinny przechodzić przez materię zwykłą bez śladu, ale w niezwykle rzadkich sytuacjach któraś z nich może zderzyć się z atomem materii zwykłej, powodując słaby błysk światła i wzbudzenie elektronów.

Jak zbudowano ksenonowy detektor WIMP-ów?

Detektor LZ został zaprojektowany właśnie do wykrywania tych zjawisk. Składa się z ogromnego zbiornika z ciekłym ksenonem, nad którym znajduje się cienka warstwa gazowego ksenonu. Instalacja zlokalizowana jest na głębokości około 1500 metrów pod podziemnym ośrodkiem badawczym Sanford (SURF) w Południowej Dakocie. Zarządza nią Narodowe Laboratorium Lawrence’a Berkeleya należące do Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych (DOE).

Jeśli domniemana cząstka WIMP przeleci przez zbiornik i zderzy się z atomem, widocznym rezultatem miał być błysk światła, który mogą wychwycić fotodetektory rozmieszczone na dnie. Elektrony powstałe w wyniku tego zdarzenia kierują się w górę, a gdy dotrą do warstwy gazowego ksenonu, wywołują drugi błysk. Pomiary czasu wystąpienia i natężenia tych dwóch błysków mogą dostarczyć naukowcom informacji na temat cząstki źródłowej.

Niestety, podobne sygnały wytwarza wiele innych cząstek w ramach promieniowania kosmicznego lub promieniowania tła, robiąc to znacznie częściej niż ciemna materia. Ograniczyć ten szum ma lokalizacja pod półtorakilometrową warstwą skały.

Czy to jest na pewno ciemna materia?

Intrygujący sygnał zarejestrowano jeszcze w czerwcu 2023 r. Energia tego zdarzenia była zbyt wysoka, by mogły to być neutrony lub neutrina. Gdyby zdarzenie pochodziło od zabłąkanej wiązki gamma, musiałoby rozproszyć się, nie wywołując kolejnego błysku. Alternatywne scenariusze uznano więc za mało prawdopodobne. Jest niestety również możliwość, że wykryte dwa błyski pochodziły z dwóch niepowiązanych ze sobą zdarzeń, które po prostu miały miejsce w krótkim odstępie czasu. Analiza danych wykazała, że prawdopodobieństwo takiego scenariusza jest bardzo niskie, ale nie zerowe.

Wykluczanie innych wytłumaczeń wzmacnia wniosek, że zjawisko zostało spowodowane przez cząstkę WIMP o masie przekraczającej 200 gigaelektronowoltów (dla porównania – masa protonu jest nieco mniejsza niż jeden gigaelektronowolt). To, że jest to w tej chwili najlepsze wyjaśnienie, wciąż jednak nie przesądza, że chodzi o ciemną materię z WIMP-ów. Mówiąc językiem naukowych eksperymentatorów, wynik ten nie osiągnął jeszcze progu istotności statystycznej na poziomie 5 sigma, niezbędnego do ogłoszenia nowego odkrycia w fizyce cząstek elementarnych. Według opublikowanej pracy, wynik z eksperymentu LZ ma obecnie poziom wynoszący 2,6 sigma, co oznacza, że prawdopodobieństwo błędu wynosi 1 do 200.

Niemniej jest to prawdopodobnie najsilniejszy spośród znanych sygnałów ciemnej materii, jakie uzyskano w historii poszukiwań.

Czym jest ponad jedna czwarta Wszechświata?

Zagadnienie ciemnej materii to nomen omen dość ciemny obszar nauki. Co wiemy? Wiemy, że ciemna materia to nie bariony, czyli nie cząstki takie jak protony czy neutrony, ponieważ ustalono limit ilości materii barionowej, która mogła powstać podczas Wielkiego Wybuchu. Limit ten wynosi około 5 proc. całej materii i energii. Obserwacje supernowych pozwoliły oszacować, że materia barionowa stanowi około 4,82 proc. Wszechświata. Fakt, że ciemna materia nie wchodzi w interakcje z promieniowaniem elektromagnetycznym, czyli np. światłem, oznacza, że nie może składać się z cząstek tworzących atomy, z których zbudowane są gwiazdy, planety, księżyce, nasze ciała i wszystko, co widzimy wokół siebie.

Lwią część, 69 proc. bilansu masowo-energetycznego Wszechświata stanowi inna enigmatyczna ciemna rzecz, określana jako ciemna energia. Reszta, czyli prawie 27 proc. to ciemna materia, Jak łatwo policzyć, jest jej grubo ponad pięć razy więcej niż materii zwykłej, z której składamy się my i znany nam świat.

Współcześni kosmolodzy dysponują dziesiątkami danych pośrednich wskazujących na istnienie ciemnej materii, od zachowań grawitacyjnych galaktyk po ewolucję całości Wszechświata. Przyjmuje się zatem, że ciemna materia istnieje, choć nie wiadomo, czym jest, dlatego często tę nazwę traktuje się umownie. Brak bezpośredniej detekcji i określenia co składa się na to coś, czego według wszelkich danych jest tak dużo we Wszechświecie, denerwuje wielu. Do tego stopnia, że pojawił się pogląd, iż, jeśli naukowcy nie znajdą szybko konkretnych dowodów na istnienie ciemnej materii, być może trzeba będzie radykalnie zmienić fundamenty fizyki.

Czy ciemna materia jest bardzo ciężka czy przeciwnie - bardzo lekka?

Już w latach 80-tych XX wieku teoretycy zaproponowali WIMP-y jako kandydaturę na ciemna materię. Rozpoczął się polowanie fizyków na te cząstki. Pojawiły się projekty, takie jak kriogeniczne detektory ciemnej materii. Ich zadaniem było złapanie ciężkiego WIMP-a. Z biegiem lat eliminowano kolejne „obiecujące” wyniki. Po wielu niepowodzeniach fizycy zaczęli się zastanawiać, czy w ogóle nie mylą się fundamentalnie, co do koncepcji WIMP-ów. Dlatego z taką nadzieją witają wyniki z LZ.

WIMP-y zresztą to nie jedyna kandydatura na ciemna materię. Niektórzy uważają, że nie należy szukać bardzo ciężkich cząstek, lecz wręcz przeciwnie - czegoś znacznie lżejszego. Znamy już jeden rodzaj cząstek, które są zarówno lekkie, jak i prawie niewidzialne. To neutrina. Może to więc ta enigmatyczna brakująca materia Wszechświata?

Jako możliwe składniki ciemnej materii sugerowano też zupełnie inne typy cząstek, znane pod nazwą aksjonów. Podjęto eksperymenty, np. Axion Dark Matter eXperiment w Centrum Eksperymentalnej Fizyki Jądrowej i Astrofizyki Uniwersytetu Waszyngtońskiego, które wykorzystują wnęki rezonansowe zakopane głęboko pod ziemią. Oparte jest to na nadziei, że gdy aksjon napotka generowane przez nie silne pole magnetyczne, może od czasu do czasu przekształcić się w foton, czyli coś, co możemy wykryć.

Czy kluczem do zagadki ciemnej materii są ciemne gwiazdy i mroczne fotony?

Niektórzy uważają, że ciężkie WIMP-y ciemnej materii lub lekkie aksjony mogłyby na początku Wszechświata tworzyć całej gigantyczne gwiazdy, zupełnie inne niż te, które znamy. Nie wchodząc w dość zawiłe spekulacje, co miałoby się potem dziać z tymi obiektami, w efekcie ich ewolucji powstawać miałyby fotony o bardzo niskiej energii, dlatego trudne do wykrycia. To już cząstki bliższe temu co znamy w Modelu Standardowym fizyki. nie jakieś egzotyczne obiekty.

A skoro już mowa o fotonach w kontekście ciemnej materii, to w teoriach fizyków krąży coś takiego jak ciemny foton, wersja fotonu przenosząca siłę inną niż elektromagnetyzm, za który odpowiadają standardowe fotony.

Te, nieco oderwane od twardych faktów obserwacyjnych, rozważania mają taki wspólny mianownik, że problem ciemnej materii przesuwa się w nich ze sfery poszukiwań nieznanych cząstek elementarnych na myślenie o niej jako swoistym relikcie gwałtownych zjawisk wczesnego Wszechświata, nie tak bardzo egzotycznym jak choćby WIMP-y, opowiadającym za to na nowo historię uniwersum, w którym przyszło nam żyć.

FAQ: Czy udało się wreszcie wykryć ciemną materię?

1. Co ogłosili fizycy z eksperymentu LUX-ZEPLIN (LZ)?
   Poinformowali o obiecującym sygnale, który ma cechy typowe dla cząstki będącej głównym kandydatem na ciemną materię.
2. Czy to oznacza, że ciemną materię wykryto?
   Nie. Naukowcy nie wykluczyli wszystkich innych wyjaśnień sygnału, a fałszywych alarmów było w przeszłości sporo. Rzecznik projektu, Rick Gaitskell, podkreśla, że przy pojedynczym zdarzeniu nie należy wyciągać pochopnych wniosków.
3. Czym jest ciemna materia?
   To hipotetyczna materia, która oddziałuje grawitacyjnie ze zwykłą materią, ale nie emituje ani nie odbija światła.
4. Jaką część Wszechświata stanowi ciemna materia?
   Prawie 27 proc. bilansu masowo-energetycznego, czyli ponad pięć razy więcej niż zwykłej materii barionowej (ok. 5 proc.). Największą część, 69 proc., zajmuje ciemna energia.
5. Skąd wiemy, że ciemna materia istnieje, skoro jej nie widać?
   Świadczą o tym dziesiątki danych pośrednich, od grawitacyjnego zachowania galaktyk po ewolucję całego Wszechświata.

Źródła:

• https://indico-icehap.phys.s.chiba-u.ac.jp/event/3/contributions/471/
• https://lz.lbl.gov/wp-content/uploads/sites/6/2026/08/LZ_Preprint_260901_Dark_Matter_EFT_Nuclear_Recoil_Search_at_Higher_Energies.pdf
• https://www6.slac.stanford.edu/news/2026-09-01-lz-sees-surprising-result-search-dark-matter
• https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/98cx-7t43
• https://www.sciencefocus.com/space/dark-stars-theory

[Autor, Mirosław Usidus jest popularyzotorem nauki i byłym redaktorem naczelnym Młodego Technika]

[Tytuł, lead i sekcja "Co musisz wiedzieć" od Redakcji]