سیگنال وسوسه‌انگیزی که آزمایش ماده‌ی تاریک XENON1T گزارش کرده، نظریه‌پردازان را به تحقیق درباره‌ی توضیحات مربوط به فیزیک جدید برانگیخته است.

در ۱۶ ماه ژوئن سال ۲۰۲۰، گروه همکاری XENON1T – یکی از حساس‌ترین آشکارسازهای ماده‌ی تاریکِ جهان – سیگنالی را گزارش کرد که نتوانستند آن را توضیح دهند. (به این مقاله مراجعه کنید: Dark Matter Detector Delivers Enigmatic Signal). سیگنال هنوز به نوار (حدود اطمینان آماری) «پنج سیگما» برای کشف نرسیده و هنوز یک توضیح معمولیِ‌ و یک نوفه زمینی می‌تواند مقصر باشد. اما نظریه‌پردازان به‌سرعت به‌دنبال این هستند که کدام‌یک، ذرات عجیب‌وغریب یا برهم‌کنش‌ها، در این امر دخالت دارند. Physical Review Letters روند ویژه‌ای را دنبال کرده تا بررسی تخصصی منسجمی از طرح‌های پیشنهادی دریافتی درباره‌ی آن داشته باشد. این نشریه اکنون پنج مقاله منتشر کرده است که نشان‌دهنده‌ی گستردگی نظریه‌های دنبال‌شده است.

همه‌ی سناریوهای گزارش‌شده دو جنبه‌ی سیگنال را توصیف می‌کنند، سیگنالی که در مخزن بزرگی از زنون فوقِ‌خالص، که بخشی از آشکارساز XENON1T را تشکیل مي‌دهد، تولید شده بود. اول به‌نظر می رسید سیگنال از ذراتی است که عمدتاً‌ با الکترون‌های اتم‌های زنون برخورد کرده بودند. و سپس، هر یک از این برهم‌کنش‌ها چند کیلوالکترون‌ولت انرژی در اتم می‌ریزند.

دو توضیح جدید دربردارنده‌ی پیچ‌وتابی در برخی از موارد مشکوک به ماده‌ی تاریک معمولی است. فومینوبو تاکاهاشی، از دانشگاه توکیو، و همکارانش بر ذرات سبک‌جرمی موسوم به اکسیون‌ها تمرکز کرده‌اند^۱. یک مشکل مدل‌های اکسیون این است که جفت‌شدگی‌ای بین اکسیون‌ها و فوتون‌های معمولی فرض می‌کنند که با رصدهای اخترفیزیکی مغایرت دارد. محققان نشان دادند که اگر اکسیون‌ها نسبت به پیش‌بینی اکثر نظریه‌ها با احتمال کمتری با فوتون‌ها برهم‌کنش کنند، این تعارض را می‌توان حل کرد – و سیگنال XENON1T را توضیح داد. ژوزف برامانته و نینگ‌کوانگ سانگ از دانشگاه کویینز در کانادا سناریویی را درنظر گرفته‌اند که دربردارنده‌ی نسخه‌ی کم‌جرمی از برهم‌کنش‌های ضعیف ذرات بزرگ است (WIMP). در مدل آنها ذره‌ی WIMPگونه به ذره‌ی مشابهی با جرم کمتر واپاشی می‌شود و اختلاف جرم به‌صورت انرژی پس‌زنی الکترون‌های زنون باقی می‌ماند^۲. سناریوی آنها جذاب است، زیرا با قیدهای ماده‌ی تاریک مشتق‌شده از رصدهای اخترفیزیکی سازگار است.

دو ایده‌ی دیگر جنبه‌ی متمایزی دارند که XENON1T می‌تواند آن را تشخیص دهد – مدولاسیون (تنظیم) روزانه‌ی سیگنال. نیکلا برن، ‌از دانشگاه ملبورن در استرالیا، و همکارانش «درخشندگی» ذرات ماده‌ی تاریک را درنظر گرفتند،‌ ذراتی که حالت «سنگین» و حالت «سبک» آنها با حدود ۳ کیلوالکترون‌ولت از هم جدا شده است^۳. آنها نشان دادند که ذره‌ی حالت سبک که به هسته‌ی زنون برخورد می‌کند می‌تواند به همتای سنگین‌تر خود واپاشی شود، و سپس ۳ کیلوالکترون‌ولت فوتون تابش کند، که انرژی آنها می‌تواند روی الکترون تخلیه شود. درعوض بارتوش فورنال، از دانشگاه یوتا در سالت‌لیک سیتی، و همکارانش به ماده‌ی تاریک «افزاینده» پرداختند^۴. در اینجا فرایند نابودی ماده‌ی تاریک در خورشید یا مرکز کهکشان،‌ ماده‌ی تاریک «سرد» است که به‌طور طبیعی به‌آرامی حرکت می‌کند و انرژی کافی برای تولید سیگنال با انرژی از مرتبه‌ی کیلوالکترون‌ولت را دارد.

درنهایت، آندریاس بالی از مؤسسه‌ی فیزیک‌ هسته‌ایِ مکس پلانک در آلمان، و همکارانش احتمال درگیر بودن نوترینوهای غیراستاندارد را درنظر گرفتند^۵. در مدل آنها نوترینوهایی که از خورشید می‌آیند با الکترون‌ها در آشکارساز XENON1T برخورد می‌کنند. اگر برخی از این نوترینوها به نوترینوهای بدونِ‌استاندارد و «پنهان»ی که برای آشکارساز غیرقابلِ‌دیدن هستند، واپاشی شوند، این برخوردها می‌تواند سیگنال رصدشده را تولید کند. این توضیح به فیزیک مدل‌های فراتر از استاندارد مربوط است که می‌توان آن را در برخورددهنده‌ی بزرگ هادرونی و شتاب‌دهنده‌های آینده جستجو کرد.

منبع:

https://physics.aps.org/articles/v13/s132

نویسنده:

Matteo Rini

مراجع:

۱.

F. Takahashi et al., “XENON1T excess from anomaly-free axionlike dark matter and its implications for stellar cooling anomaly,” Phys. Rev. Lett. 125, 161801 (2020).

۲.

J. Bramante and N. Song, “Electric but not eclectic: Thermal relic dark matter for the XENON1T excess,” Phys. Rev. Lett. 125, 161805 (2020).

۳.

N. F. Bell et al., “Explaining the XENON1T excess with luminous dark matter,” Phys. Rev. Lett. 125, 161803 (2020).

۴.

B. Fornal et al., “Boosted dark matter interpretation of the XENON1T excess,” Phys. Rev. Lett. 125, 161804 (2020).

۵.

.A. Bally et al., “Neutrino self-interactions and XENON1T electron recoil excess,” Phys. Rev. Lett. 125, 161802 (2020).