14 augustus 2020

Onverklaarbaar signaal waargenomen bij donkere materie-experiment XENON1T

De Xenon1T detector. Credit: Xenon Collaboration.

Vandaag is bekendgemaakt dat natuurkundigen op basis van waarnemingen in de periode 2016-2018 met het donkere materie-experiment XENON1T een onverklaarbaar signaal hebben waargenomen. Bij het XENON1T experiment gebruikt men een detector, die diep onder de grond onder het Italiaanse San Grasso gebergte geplaatst is, een plek waar ‘ie goed beschermd is tegen storende signalen vanuit de ruimte. Het is ‘s werelds meest gevoelige detector voor donkere materie, de hypothetische materie die niet reageert met gewone materie en die zo’n 85% van alle materie in het heelal vormt.

Het waargenomen spectrum door XENON1T. De rode lijn is de voorspelde achtergrond, ‘Background’. In het bereik van 1-7 KeV zijn 285 gebeurtenissen waargenomen in plaats van de voorspelde 232. Credit: E. Aprile et al.

De detector is gevuld met 3,2 ton zuiver vloeibaar xenon, waarvan twee ton bedoeld is om te reageren met mogelijke deeltjes donkere materie, die de detector passeren en die in theorie interacties kunnen aangaan met de zware xenon-atomen. Andere, bekende deeltjes kunnen dat ook en daarom houden de natuurkundigen die interacties goed in de gaten, hetgeen een ‘background’ oplevert. Het blijkt nu dat men een background van 232 gebeurtenissen had verwacht, maar dat er in werkelijkheid 53 gebeurtenissen méér werden waargenomen. Bij die gebeurtenissen raakt ‘iets’ een xenon atoom en dat levert dat een foton of een vrij elektron op, die met de sensoren van XENON1T gedetecteerd kunnen worden. Dé vraag is natuurlijk wat dat ‘iets’ is wat voor het overschot aan gebeurtenissen heeft gezorgd. Dat zou in theorie tritium kunnen zijn, een radioactief isotoop van waterstof, dat bestaat uit één proton en twee neutronen. Maar dat is een bekend subatomair deeltje, géén opwindend hypothetisch donkere materie deeltje én het zou betekenen dat die 3,2 ton xenon verontreinigd is met enkele tritium atomen – geen beste zaak voor het XENON-team. Het overschot zou echter ook veroorzaakt kunnen worden door een axion, een hypothetisch deeltje, dat erg licht is.

Credit; XENON1T Collaboration (from the video).

Het zou in dit geval gaan om een zonne-axion, een axion dat afkomstig is uit de kern van de zon. Op zich zou zo’n axion van de zon géén kandidaat zijn, maar als axionen bestaan zou dat voor het eerst zijn dat een elementair deeltje is waargenomen dat niet door het Standaard Model wordt beschreven! En axionen die in het vroege heelal zijn onstaan zijn wél een kandidaat voor donkere materie! Een derde optie is dat het overschot komt doordat het magnetisch moment van neutrino’s anders is dan wat het Standaard Model zegt, een optie die net als de axionen wijst op Nieuwe Natuurkunde, natuurkunde voorbij het Standaard Model. Van de drie opties is die van het zonne-axion het meest in overeenstemming met de waarnemingen, de statistische betrouwbaarheid daarvan is 3,5 sigma, dat wil zeggen dat de kans 2/10.000 (0,0002 procent) is dat het toeval is en géén echt axion.

Het axion is een licht deeltje, al in 1977 voorspeld. Mocht ‘t deeltje inderdaad bestaan én een massa van ergens in het bereik 1-7 KeV hebben dan komt dat goed overeen met de temperatuur in de kern van de zon, waar het 15 miljoen Kelvin is, da’s 1,3 keV. Axionen die daar worden geproduceerd zouden ook zo’n bereik van 1-7 KeV kunnen hebben. Hier is het vakartikel met de waarnemingen van de XENON1T-detector. Deze wordt momenteel verbeterd tot de XENONnT, waarbij ‘ie gebruik maakt van drie keer zoveel xenon en men met nog meer precisie de ‘recoils’ van passerende deeltjes met de xenon-atomen kan meten, omdat de achtergrond kan worden verlaagd. Ook zijn er andere teams bezig met experimenten, zoals LUX-ZEPLIN en PandaX-4T, die wellicht ook zo’n signaal kunnen detecteren. Bron: Résonaances + Quanta Magazine + Eurekalert + Nikhef.

Comments

  1. Wybren de Jong zegt

    Ik denk niet dat dit het gevolg is van Tritium, tenzij ze het vloeibare xenon uit een kernreactor gehaald hebben.
    Tritium kan ook ontstaan uit stikstof-atomen onder invloed van kosmische straling, maar ik neem aan dat de detector diep genoeg onder de grond zit om uit te sluiten dat er kosmische straling door kan dringen.
    Daarom lijkt mij dit een zeer spannend resultaat! Komen we nu dichter bij de identiteit van donkere materie?

    • Ik weet niet waar het xenon vandaan komt, maar áls het signaal inderdaad komt van tritium dan denk ik dat de XENON1T mensen (een team van 163 mensen) zich kapot zullen schamen. Want dan blijkt het dus niet zuiver te zijn, maar verontreinigd met tritium. Enkele tritium-atomen op 10^25 xenon atomen zijn al in staat om dat overschot te produceren.

  2. Aanvullend: hier een blog over hoe ze het xenon voor de nieuwe XENONnT detector ultrazuiveren: https://science.purdue.edu/xenon1t/?p=1434

  3. Er zijn een aantal problemen met de conclusie dat het Axionen (of physics BSM) betreft. Met name de temperatuur van sterren, die te hoog is in het geval ze axionen produceren. Het zelfde geld voor dipole neutrinos.
    Sigma waarde is nog erg laag, en meestal verdwijnen dit soort signalen wanneer er vaker, en nauwkeuriger gemeten wordt.

    https://www.quantamagazine.org/dark-matter-experiment-finds-unexplained-signal-20200617/

    http://resonaances.blogspot.com/

  4. Paul Bakker Paul Bakker zegt

    waarnemingen in de periode 2016-2018…lekker snelle analyse.

Speak Your Mind

*

Deze website gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.

%d bloggers liken dit: